(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池デバイスであって、
動作反応温度まで加熱されるように構成された第１の長さ方向の部分にそった反応帯と前記反応帯が加熱されたときに前記動作反応温度より低い温度のままであるように構成された第２の長さ方向の部分にそった少なくとも１つの低温帯とを有する細長いチューブと、
それぞれの燃料および酸化剤入口からそれぞれの燃料および酸化剤出口まで前記第１および第２の長さ方向部分のそれぞれの少なくとも一部にそって長さ方向に延びる燃料および酸化剤流路と、
それぞれの燃料流路に結合されたアノードと少なくとも前記反応帯内のそれぞれの酸化剤流路に結合されたカソードであって、前記アノードおよびカソードは、互いに対向関係となるように配置されている、前記アノードおよび前記カソードと、
対向するアノードとカソードとの間に配置された固体電解質と、
前記アノードに電気的に結合されている前記少なくとも１つの低温帯内の前記細長いチューブ上の第１の外側接触面と、
前記カソードに電気的に結合されている前記少なくとも１つの低温帯内の前記細長いチューブ上の第２の外側接触面と、
前記第１の外側接触面に接続する第１の電気的接続部と、
前記第２の外側接触面に接続する第２の電気的接続部と、
を備え、
前記細長いチューブは、らせん状構成の断面を有し、
前記細長いチューブは、巻かれていない構造から形成され、
前記構造は、
それぞれ前記チューブ長に対応する長さを有する第１の巻かれていない端部および第２の巻かれていない端部と、
それぞれ前記第１の巻かれていない端部と第２の巻かれていない端部との間に延びる第１の側部および対向する第２の側部であって、前記第１の巻かれていない端部を前記第２の巻かれていない端部の方へ転がすと、前記第１の側部は前記第１のチューブ端を形成し、前記第２の側部は前記第２のチューブ端を形成する、第１の側部および対向する第２の側部とを備え、
前記燃料入口は、前記第１の巻かれていない端部に隣接する前記第１の側部に位置し、前記燃料出口は、前記第２の巻かれていない端部に位置し、前記燃料流路は前記第１の側部と第２の側部との間の前記巻かれていない構造にそって延び、
前記酸化剤入口は、前記第１の巻かれていない端部に隣接する前記第２の側部に位置し、前記酸化剤出口は、前記第２の巻かれていない端部に位置し、前記酸化剤流路は前記第１の側部と第２の側部との間の前記巻かれていない構造にそって延びる、固体酸化物型燃料電池デバイス。
【請求項２】
さらに、
燃料流を前記燃料流路内に供給するため前記燃料入口に結合されている燃料供給源と、
空気流を前記酸化剤流路内に供給するため前記酸化剤入口に結合されている空気供給源とを備える請求項１に記載の燃料電池デバイス。
【請求項３】
前記燃料供給源および前記空気供給源は、前記少なくとも１つの低温帯に固定された柔軟なゴムまたはプラスチックのチューブによりそれぞれ結合される請求項２に記載の燃料電池デバイス。
【請求項４】
固体酸化物型燃料電池システムであって、
高温帯室と、
それぞれ前記高温帯室内の前記反応帯とともに配置され、前記少なくとも１つの低温帯は前記高温帯室の外へ延びる、請求項１に記載の複数の前記固体酸化物型燃料電池デバイスと、
前記高温帯室に結合され、前記高温帯室内の動作反応温度まで前記反応帯を加熱するように適合された熱源と、
前記燃料流路内に燃料流を供給するため前記燃料入口と流体で連絡している前記少なくとも１つの低温帯に前記高温帯室の外で結合されている燃料供給源と、
前記酸化剤流路内に空気流を供給するため前記酸化剤入口と流体で連絡している前記少なくとも１つの低温帯に前記高温帯室の外で結合されている空気供給源とを備える固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項５】
さらに、前記熱源と前記少なくとも１つの低温帯を前記動作反応温度よりも低い温度に維持するように適合される前記少なくとも１つの低温帯との間に絶縁領域を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
さらに、前記アノードと電気的に接触している前記少なくとも１つの低温帯内の第１の外側接触面との第１の電気的接続部および前記カソードと電気的に接触している前記少なくとも１つの低温帯内の第２の外側接触面との第２の電気的接続部を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記細長いチューブを高温帯室内の前記反応帯とともに配置し、前記少なくとも１つの低温帯は前記高温帯室の外側に延びる段階と、
燃料供給源を前記燃料入口と流体で連絡している前記高温帯室の外側に結合する段階と、
空気供給源を前記酸化剤入口と流体で連絡している前記高温帯室の外側に結合する段階と、
前記第１および第２の低温端部領域を３００℃未満の低い温度に維持しながら前記高温帯室内に熱を加えて前記反応帯を４００℃よりも高い動作温度まで加熱する段階と、
前記それぞれの燃料および酸化剤入口を通して燃料および空気を前記加熱された反応帯内の前記それぞれの燃料および酸化剤流路に供給し、これにより、前記燃料と空気が反応し、前記それぞれの第１および第２の外側接触面に移動し、前記それぞれの第１および第２の電気的接続部に移動する電子を発生する段階とを含む請求項１に記載のデバイスを使用する方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの低温帯を３００℃未満の低い温度に維持しながら前記高温帯室内に熱を加えて前記反応帯を４００℃よりも高い動作温度まで加熱する段階と、
前記それぞれの燃料および空気供給源から前記それぞれの燃料および空気通路内に燃料および空気を供給し前記加熱された反応帯に送り、前記燃料と空気を反応させ、前記それぞれの第１および第２の外側接触面に移動し、前記それぞれの第１および第２の電気的接続部に移動する電子を発生する段階とを含む請求項６に記載のシステムを使用する方法。
【請求項９】
固体酸化物型燃料電池デバイスであって、
第１のチューブ端と対向する第２のチューブ端との間に定められたチューブ長を有するらせん状に巻かれた細長いチューブ、動作反応温度よりも低い温度を保つように構成された前記第１のチューブ端に隣接する第１の低温端部領域、前記動作反応温度よりも低い温度を保つように構成された前記第２のチューブ端に隣接する第２の低温端部領域、及び前記第１の及び第２の低温端部領域との間の前記動作反応温度まで加熱されるように構成された反応帯と、
前記第１の低温端部領域内の燃料入口および前記反応帯内のそれぞれの燃料出口であって、前記細長いチューブ内の前記反応帯を少なくとも部分的に貫通する細長い燃料流路により間を結合されている前記燃料入口および燃料出口と、
前記第２の低温端部領域内の酸化剤入口および前記反応帯内のそれぞれの酸化剤出口であって、前記細長い燃料流路と平行で対向する関係にある前記細長いチューブ内の前記反応帯を少なくとも部分的に貫通する細長い酸化剤流路により間を結合されている前記酸化剤入口および酸化剤出口と、
前記細長いチューブ内の前記反応帯内の前記燃料流路に隣接し、前記第１および第２の低温端部領域の少なくとも一方の中の前記細長いチューブ上の第１の外側接触面に電気的に結合されたアノードと、
前記細長いチューブ内の前記反応帯内の前記酸化剤流路に隣接し、前記第１および第２の低温端部領域の少なくとも一方の中の前記細長いチューブ上の第２の外側接触面に電気的に結合されたカソードと、
前記アノードとカソードとの間の固体電解質と、
前記第１の外側接触面に接続する第１の電気的接続部と、
前記第２の外側接触面に接続する第２の電気的接続部と、
を備える固体酸化物型燃料電池デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００６年５月１１日に出願した先行出願同時係属米国仮出願第６０／７４７，０１３号の利益および優先権を主張するものであり、それぞれ２００６年１１月８日に出願された、参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１１／５５７，８９４号、第１１／５５７，９０１号、第１１／５５７，９３４号、および第１１／５５７，９３５号の継続出願である。本出願は、それぞれ２００７年５月１０日に出願された、参照により本明細書に組み込まれている、米国仮出願第６０／９１７，２６２号および米国特許出願第１１／７４７，０６６号および第１１／７４７，０７３号にも関係する。
【０００２】
本発明は、固体酸化物型燃料電池デバイスおよびシステム、ならびにこれらのデバイスを製造する方法に関するものであり、より具体的には、多層モノリシックＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）の形態の固体酸化物型燃料電池デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
セラミックチューブには、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の製造において使用されてきた。燃料電池は数種類あり、それぞれ、燃料および空気を変換して燃焼なしで電力を発生する異なるメカニズムを備えている。ＳＯＦＣでは、燃料と空気との間にあるバリア層（「電解質」）は、セラミック層であり、これにより、酸素原子は層を貫通し、化学反応を起こすことができる。セラミックは、室温において酸素原子の不良導体であるため、燃料電池は、７００℃から１０００℃で動作し、セラミック層は、できる限り薄くされる。
【０００４】
初期の頃のチューブ型ＳＯＦＣは、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社によりジルコニアセラミックの長く、かなり大きな口径の押出成形チューブを使用して生産された。典型的なチューブ長は、数フィートに達し、１／４インチから１／２インチの範囲のチューブ口径を有していた。燃料電池の完成構造物には、典型的には、おおよそ１０本のチューブが備えられていた。やがて、研究者らと業界団体は、８モル％のＹ２Ｏ３を含有するジルコニアセラミックの製法を確立した。この材料は、とりわけ、日本の東ソー株式会社により商品名ＴＺ−８Ｙとして製造されている。
【０００５】
ＳＯＦＣを製造する他の方法では、他のアノードとカソードとともに積層されたジルコニアのフラットプレートを使用して燃料電池構造を形成する。Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ社によって考案された丈が高く幅が狭いデバイスと比べて、これらのフラットプレート構造は、エッジ上で６から８インチの立方体形状とすることができ、締め付けメカニズムにより積層全体をまとめて保持することができる。
【０００６】
なおも新しい方法では、非常に薄い壁を有する小口径のチューブを大量に使用することも考える。薄壁セラミックを使用するのは、酸素イオンの移動速度が距離と温度により制限されるためＳＯＦＣでは重要なことである。ジルコニアのより薄い層が使用される場合、最終的なデバイスは、同じ効率を維持しながらより低い温度で動作させることができる。文献では、セラミックチューブを１５０μｍ以下の肉厚にする必要性があると説明している。
【０００７】
ＳＯＦＣの実装の成功を阻んできた大きな技術的問題点がいくつかある。問題の１つは、加熱時にセラミック素子のひび割れを防ぐ必要があるということである。これのために、チューブ型ＳＯＦＣアプローチは、チューブが本質的に一次元であるので競合する「積層」タイプ（大きなフラットセラミックプレートから作られる）よりも優れている。チューブは、例えば、真ん中が高温になり、膨張するが、ひび割れることはない。例えば、環状炉は、直径４’’長さ３６’’のアルミナチューブを加熱することができ、中央が赤熱し、両端は触れても十分に冷たい。チューブは、中心セクションが均等に加熱されるので、その中心セクションが膨張し、チューブが長くなるが、ひび割れはしない。セラミックプレートは、中心だけが加熱されると、中心が膨張しても外側は同じサイズのままなので、たちまち砕けてしまう。チューブの重要な特性は、一軸性、つまり一次元であることである。
【０００８】
第２の重要な問題は、ＳＯＦＣとの接触が生じることである。ＳＯＦＣは、理想的には、高温（典型的には、７００〜１０００℃）で動作するが、それでも、空気と燃料を得るために外部世界に接続され、また電気的接続を形成する必要もある。理想的には、室温で接続するようにしたい。高温での接続は、有機物質を使用できないため問題であり、したがってガラスシールまたはメカニカルシールを使用しなければならない。これらは、膨張の問題があるため一部信頼性がない。これらは、高価でもありうる。
【０００９】
したがって、前のＳＯＦＣシステムには、上記の少なくとも２つの問題に関して難がある。プレート技術では、さらに、ガスポートを封止することに関してプレートのエッジに難があり、また高速加熱、さらにはひび割れの問題がある。チューブアプローチでは、ひび割れ問題を解決するが、他の問題はそのままである。ＳＯＦＣチューブは、ガス容器のみとして有用である。作動させるには、より大きな空気容器の内側で使用されなければならない。これはかさばる。チューブを使用するうえでの重要な問題は、チューブの外側に熱と空気の両方を施し、空気を送って反応用のＯ２を供給し、熱を加えて反応を加速しなければならないという点である。通常、熱は、燃料の燃焼により与えられ、したがって、２０％のＯ２（標準）を含む空気を送る代わりに、実際には空気が部分的に減らされ（部分的に燃焼され熱を与える）、これにより電池の駆動電位が下げられる。
【００１０】
ＳＯＦＣチューブは、スケーラビリティの点でも制限される。ｋＶ出力を大きくするために、より多くのチューブを加えなければならない。それぞれのチューブは、単一の電解質層であり、増加は大きい。固体電解質チューブ技術は、さらに、達成可能な電解質薄さに関して制限される。電解質は薄いほど、効率が高い。電解質の厚さが２μｍさらには１μｍだと、高出力には最適であるが、固体電解質チューブでは達成が非常に困難である。燃料電池領域１つで発生する電圧は０．５から１ボルト程度であるが（これは、１つのバッテリーで１．２ボルトを発生するのと同様に、化学反応の駆動力による固有の性質である）、電流、したがって電力は、複数のファクタに依存する。より多くの酸素イオンに所定の時間内に電解質内を移動させるファクタから大きな電流が生じる。これらのファクタは、高い温度、薄い電解質、および広い領域である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国仮出願第６０／７４７０１３号
【特許文献２】米国特許出願第１１／５５７８９４号
【特許文献３】米国特許出願第１１／５５７９０１号
【特許文献４】米国特許出願第１１／５５７９３４号
【特許文献５】米国特許出願第１１／５５７９３５号
【特許文献６】米国仮出願第６０／９１７２６２号
【特許文献７】米国特許出願第１１／７４７０６６号
【特許文献８】米国特許出願第１１／７４７０７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、動作反応温度まで加熱されるように構成された第１の長さ方向の部分にそった反応帯と反応帯が加熱されたときに動作反応温度より下の低温のままであるように構成された第２の長さ方向の部分にそった少なくとも１つの低温帯とを備える細長いチューブを有する固体酸化物型燃料電池デバイスを実現する。複数の燃料および酸化剤流路が、それぞれの燃料および酸化剤入口からそれぞれの燃料および酸化剤出口まで第１および第２の長さ方向部分のそれぞれの少なくとも一部にそって長さ方向に延びる。アノードは、それぞれの燃料流路に結合され、カソードは、少なくとも反応帯内のそれぞれの酸化剤流路に結合され、アノードおよびカソードは、互いに対向関係となるように配置され、固体電解質は、対向するアノードとカソードとの間に配置される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施形態では、本発明は、チューブ長が第１のチューブ端と対向する第２のチューブ端との間に定められているらせん状に巻かれた細長いチューブ、第１のチューブ端に隣接する第１の低温端領域、第２のチューブ端に隣接する第２の低温端領域、および第１の低温端領域と第２の低温端領域との間の反応帯を備える固体酸化物型燃料電池デバイスを実現する。反応帯は、動作反応温度まで加熱されるように構成され、第１および第２の低温端領域は、動作反応温度よりも低い温度のままであるように構成される。細長いチューブは、さらに、第１の低温端領域内内の燃料入口および細長いチューブ内の反応帯を少なくとも部分的に貫通する細長い燃料流路により間に結合された反応帯内のそれぞれの燃料出口、ならびに第２の低温端領域内の酸化剤入口および細長い燃料流路と平行および対向する関係にある細長いチューブ内の反応帯を少なくとも部分的に貫通する細長い酸化剤流路により間に結合された反応帯内のそれぞれの酸化剤出口を有する。アノードは、細長いチューブ内の反応帯内の燃料流路に隣接して配置され、第１および第２の低温端領域のうちの少なくとも一方の中の細長いチューブ上の第１の外側接触面に電気的に結合され、カソードは、細長いチューブ内の反応帯内の酸化剤流路に隣接して配置され、第１および第２の低温端領域のうちの少なくとも一方の中の細長いチューブ上の第２の外側接触面に電気的に結合され、固体電解質は、アノードとカソードとの間に位置決めされる。
【００１４】
他の実施形態では、本発明は、チューブ長が第１のチューブ端と対向する第２のチューブ端との間に定められている細長いチューブ、第１のチューブ端に隣接する第１の低温端領域、第２のチューブ端に隣接する第２の低温端領域、およびその間にある反応帯を備える。反応帯は、動作反応温度まで加熱されるように構成され、第１および第２の低温端領域は、動作反応温度よりも低い温度のままであるように構成される。細長いチューブは、さらに、第１のチューブ端から少なくとも部分的に反応帯を通り第２のチューブ端に向かう複数の間隔をあけて配置された同心円環状燃料流路、および複数の燃料流路と交互および同心円状の関係にある第２のチューブ端から少なくとも部分的に反応帯を通り第２のチューブ端に向かう複数の間隔をあけて配置された同心円環状酸化剤流路を有する。燃料出口は、反応帯または複数の燃料流路のうちの一番内側の流路から細長いチューブの外面まで延びる第２の低温端領域のうちの一方にあり、複数の燃料流路のそれぞれに流体的に開かれ、複数の酸化剤流路へは流体的に閉じられ、酸化剤出口は、反応帯または複数の酸化剤流路のうちの一番内側の流路から細長いチューブの外面まで延びる第１の低温端領域のうちの一方にあり、複数の酸化剤流路のそれぞれに流体的に開かれ、複数の燃料流路へは流体的に閉じられる。アノードは、反応帯と第１の低温端領域内の複数の燃料流路のそれぞれの流路の内側を覆い、第１の低温端領域内の第１の外側接触面に電気的に結合され、カソードは、反応帯と第２の低温端領域内の複数の酸化剤流路のそれぞれの流路の内側を覆い、第２の低温端領域内の第２の外側接触面に電気的に結合されている。環状固体電解質層は、対向するアノードとカソードを分離する隣接する燃料および酸化剤流路のそれぞれの間に配置される。
【００１５】
本発明は、さらに、上述の実施形態のいずれかの複数の燃料電池デバイスを組み込んだ燃料電池システムを実現するものであり、それぞれのデバイスは高温帯室内の反応帯とともに配置され、高温帯の外に延びる第１および第２の低温端領域を有する。熱源は、高温帯室に結合され、高温帯室内の動作反応温度まで反応帯を加熱するように適合される。システムは、さらに、燃料および空気流を燃料および空気流路内に供給するために高温帯室の外部でそれぞれの第１および第２の低温端領域に結合された燃料および空気供給源を備える。これらのデバイスおよびシステムを使用する方法も提示される。
【００１６】
一実施形態では、本発明は、最大の寸法である長さを有し、これによりその長さと同じ広がりを持つただ１つの主軸を有する熱膨張率を有する細長い基板、長さにそって配置される対向する第１および第２の側部、動作反応温度まで加熱されるように構成された長さの第１の部分にそって配置される反応帯、および反応帯が加熱されたときも動作反応温度よりも低い温度のままになるように構成された長さの第２の部分にそって配置される少なくとも１つの低温帯を備える固体酸化物型燃料電池デバイスを実現する。デバイスは、さらに、反応帯内の細長い基板内の複数のカソードと対向する関係にある複数のアノードおよび対向するアノードとカソードのそれぞれの対向するアノードとカソードの間に配置された電解質を備える第１の多層アノードカソード構造を具備する。これらの複数のアノードおよびカソードのそれぞれは、それぞれの複数の露出しているアノードおよびカソード表面への電気的経路を形成する細長い基板内から対向する第１および第２の側部のうちの一方まで延びている１つまたは複数のタブ部分を有し、複数の外部コンタクトパッドは、露出しているアノードおよびカソード表面の上の対向する第１および第２の側部の一方または両方に配置され、アノードおよびカソードを直列および／または並列に電気的接続する。
【００１７】
他の実施形態では、本発明は、最大の寸法である長さを有し、これによりその長さと同じ広がりを持つただ１つの主軸を有する熱膨張率を有する細長い基板、動作反応温度まで加熱されるように構成された長さの第１の部分にそって配置される反応帯、および反応帯が加熱されたときも動作反応温度よりも低い温度のままになるように構成された長さの第２の部分にそって配置される少なくとも１つの低温帯を備える固体酸化物型燃料電池デバイスを実現する。デバイスは、さらに、細長い基板の担持構造を形成する多孔質担持電極材料、および少なくとも１つの低温帯内の第１の流体入口に結合され、少なくとも部分的には反応帯を通り反応帯または対向する低温帯のうちの一方の中の第１の流体出口まで延びている多孔質担持電極材料内の１つまたは複数の第１の流体流路を備える。電解質は、１つまたは複数の第１の流体流路の内側を覆い、第１の電極材料は電解質の内側を覆い、これにより、電解質は、１つまたは複数の第１の流体流路内の第１の電極材料を周囲の多孔質担持電極材料から分離する。多孔質担持電極材料は、アノード材料またはカソード材料のうちの一方であり、第１の電極材料は、アノード材料またはカソード材料のうち他方である。第１の電気的接触面は、第１の電極材料に電気的に結合され、少なくとも１つの低温帯の第１の外面にあり、第２の電気的接触面は、多孔質担持電極材料に電気的に結合され、少なくとも１つの低温帯の第２の外面にあり、それぞれ動作反応温度よりも低い温度で電気的に接続する。本発明は、さらに、上述の実施形態のいずれかの複数の燃料電池デバイスを組み込んだ燃料電池システムを実現するものであり、それぞれのデバイスは高温帯室内の反応帯とともに配置され、高温帯の外に延びる少なくとも１つの低温帯を有する。熱源は、高温帯室に結合され、高温帯室内の動作反応温度まで反応帯を加熱するように適合される。システムは、さらに、燃料および空気流を燃料および空気流路内に供給するために高温帯室の外部で少なくとも１つの低温帯に結合された燃料および空気供給源を備える。これらのデバイスおよびシステムを使用する方法も提示される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】単一のアノード層、カソード層、および電解質層、および２つの端部低温帯の間の高温帯を有する、本発明の基本的なＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの一実施形態を示す側断面図である。
【図１Ａ】単一のアノード層、カソード層、および電解質層、および２つの端部低温帯の間の高温帯を有する、本発明の基本的なＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの一実施形態を示す上断面図である。
【図２】燃料供給チューブが接続されている本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの一実施形態の第１の端部の斜視図である。
【図３Ａ】端部を修正した、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ａのデバイスの修正された一端部に接続されている燃料供給チューブの斜視図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による正および負の電圧ノードに電気的接続するための複数のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスへの金属結合取付手段の斜視図である。
【図４Ｂ】それぞれのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスが複数のアノードおよびカソードを備える、本発明の一実施形態による複数のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの間の接続を示す略端面図である。
【図５】本発明の一実施形態による正および負の電圧ノードに電気的接続するための機械式取付手段の略端面図である。
【図６Ａ】他端が高温帯にあり、燃料および空気供給チューブが取り付けられているＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの一端に単一の低温帯を有する代替え実施形態の斜視図である。
【図６Ｂ】他端が高温帯にあり、燃料および空気供給チューブが取り付けられているＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの一端に単一の低温帯を有する代替え実施形態の斜視図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による空気流路および燃料流路内の複数の担持ピラーを例示する側断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による空気流路および燃料流路内の複数の担持ピラーを例示する上断面図である。
【図７Ｃ】本発明の他の実施形態による担持ピラーとして燃料流路および空気流路内の球体を使用することを示している顕微鏡写真である。
【図７Ｄ】本発明の他の実施形態による担持ピラーとして燃料流路および空気流路内の球体を使用することを示している顕微鏡写真である。
【図８Ａ】外部で並列に接続されている２つの燃料電池を備える本発明の一実施形態の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａと同様の本発明の他の実施形態の断面図であるが、バイアを使用することで２つの燃料電池が内部で並列に接続されている図である。
【図９Ａ】３つの燃料電池層が並列に接続されている、アノードとカソードとを共有する本発明の一実施形態による多種燃料電池設計の断面図である。
【図９Ｂ】３つの燃料電池層が直列に接続されている、アノードとカソードとを共有する本発明の一実施形態による多種燃料電池設計の断面図である。
【図１０】燃料供給チューブがデバイスの低温端部に接続され、高温帯でデバイスに加熱された空気を供給するためデバイスの片側が高温帯内で空気流路に対し開いている本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの略側面図である。
【図１０Ａ】高温帯が、対向する低温端部の間に配置されている、図１０の実施形態の変更形態の略側面図である。
【図１０Ｂ】直線１０Ｂ−１０Ｂにそった上断面図における図１０ＡのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの図である。
【図１１】本発明のさまざまな実施形態を示す略図であるが、ただし、図１１は、図１２〜２４に示されているコンポーネントの記号表となっている。
【図１２】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図１３】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図１４】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図１５】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図１６】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図１７】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図１８】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図１９】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図２０】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図２１】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図２２】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図２３】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図２４】本発明のさまざまな実施形態を示す略図である。
【図２５Ａ】一方の低温端部に細長いセクションを有し、それと反対側の高温端部に広い表面積のセクションを有するパンハンドル設計を採用する、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの略平面図である。
【図２５Ｂ】中心高温帯に中心の広い表面積のセクションを有する２つの細長いセクションが対向する低温端部にあるパンハンドル設計の代替え実施形態の略平面図である。
【図２６Ａ】中心高温帯に中心の広い表面積のセクションを有する２つの細長いセクションが対向する低温端部にあるパンハンドル設計の代替え実施形態の略平面図である。
【図２６Ｂ】中心高温帯に中心の広い表面積のセクションを有する２つの細長いセクションが対向する低温端部にあるパンハンドル設計の代替え実施形態の略側面図である。
【図２７Ａ】一方の低温端部に細長いセクションを有し、それと反対側の高温端部に広い表面積のセクションを有するパンハンドル設計を採用する、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの略平面図である。
【図２７Ｂ】一方の低温端部に細長いセクションを有し、それと反対側の高温端部に広い表面積のセクションを有するパンハンドル設計を採用する、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの略側面図である。
【図２８Ａ】らせん状の、または巻かれた、チューブ型構成を有する本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの巻かれていない状態の構造を示す略上面図である。
【図２８Ｂ】らせん状の、または巻かれた、チューブ型構成を有する本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの巻かれていない状態の構造を示す略端面図である。
【図２８Ｃ】らせん状の、または巻かれた、チューブ型構成を有する本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの巻かれていない状態の構造を示す略側面図である。
【図２８Ｄ】らせん状の、または巻かれた、チューブ型構成を有する本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスのらせん状または巻かれたチューブ型構成を示す略斜視図である。
【図２９Ａ】ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスがチューブ型同心円状形態を有する本発明の他の代替え実施形態を示す略等角投影図である。
【図２９Ｂ】図２９ＡのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスがチューブ型同心円状形態を有する本発明の他の代替え実施形態の断面図である。
【図２９Ｃ】図２９ＡのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスがチューブ型同心円状形態を有する本発明の他の代替え実施形態の断面図である。
【図２９Ｄ】図２９ＡのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスがチューブ型同心円状形態を有する本発明の他の代替え実施形態の断面図である。
【図２９Ｅ】図２９ＡのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスがチューブ型同心円状形態を有する本発明の他の代替え実施形態の断面図である。
【図２９Ｆ】ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスがチューブ型同心円状形態を有する本発明の他の代替え実施形態を示す、空気投入側の端面図である。
【図２９Ｇ】ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスがチューブ型同心円状形態を有する本発明の他の代替え実施形態を示す、燃料投入側の端面図である。
【図３０Ａ】高温帯内の活性帯に先行する集積された予熱帯を有する本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの一実施形態の略側断面図である。
【図３０Ｂ】図３０Ａのデバイスを示す直線３０Ｂ−３０Ｂにそった略断面図である。
【図３０Ｃ】図３０Ａのデバイスを示す直線３０Ｃ−３０Ｃにそった略断面図である。
【図３１Ａ】図３０Ａ〜３０Ｃに似ているが、中心高温帯を含む２つの低温帯を示す図である。
【図３１Ｂ】図３０Ａ〜３０Ｃに似ているが、中心高温帯を含む２つの低温帯を示す図である。
【図３１Ｃ】図３０Ａ〜３０Ｃに似ているが、中心高温帯を含む２つの低温帯を示す図である。
【図３２Ａ】図３１Ａ〜３１Ｃに示されているのと似ているが、さらに燃料入口と燃料流路との間、および空気入口と空気流路との間に延びる予熱室を備え、それぞれの予熱室は低温帯から高温帯の予熱帯内に延びている一実施形態の略側断面図である。
【図３２Ｂ】図３１Ａ〜３１Ｃに示されているのと似ているが、さらに燃料入口と燃料流路との間、および空気入口と空気流路との間に延びる予熱室を備え、それぞれの予熱室は低温帯から高温帯の予熱帯内に延びている一実施形態の図３２Ａの直線３２Ｂ−３２Ｂにそった略上断面図である。
【図３３Ａ】空気および燃料を予熱するための本発明の他の実施形態を示す、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの長手軸方向中心を通る略側断面図である。
【図３３Ｂ】空気および燃料を予熱するための本発明の他の実施形態を示す、図３３Ａの直線３３Ｂ−３３Ｂにそった略上断面図である。
【図３３Ｃ】空気および燃料を予熱するための本発明の他の実施形態を示す、図３３Ａの直線３３Ｃ−３３Ｃにそった略底断面図である。
【図３４Ａ】外部で直列に相互接続された複数のアノードおよびカソードを有する本発明の一実施形態を示す略斜め正面図である。
【図３４Ｂ】外部で直列に相互接続された複数のアノードおよびカソードを有する本発明の一実施形態を示す略側面図である。
【図３５】直並列設計を構成するために金属ストライプにより外部接続された２つの構造物で二重化された図３４Ｂの構造を示す略側面図である。
【図３６Ａ】高温帯内で直列および／または並列にアノードおよびカソードを接続するための金属ストライプおよび高温帯から低温帯まで延び正および負の電圧ノードへの低温帯における低温接続を行う長い金属ストライプを備える本発明の他の実施形態の側面図である。
【図３６Ｂ】高温帯内で直列および／または並列にアノードおよびカソードを接続するための金属ストライプおよび高温帯から低温帯まで延び正および負の電圧ノードへの低温帯における低温接続を行う長い金属ストライプを備える本発明の他の実施形態の斜視図である。
【図３７】図３６Ｂの実施形態に似ているが、空気および燃料供給接続部ならびに電圧ノード接続部用の単一の低温帯を有する一実施形態の略等角投影図である。
【図３８Ａ】構造内に流路を形成するために使用される有機材料のベイクアウト用のデバイスの側部にそって配置された複数の出口間隙を有する本発明の一実施形態の略側断面図である。
【図３８Ｂ】構造内に流路を形成するために使用される有機材料のベイクアウト用のデバイスの側部にそって配置された複数の出口間隙を有する本発明の一実施形態の略側断面図である。
【図３９】ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスのアノード担持バージョンとも呼ばれる、アノード材料が担持構造として使用されている本発明の他の実施形態の略断面端面図である。
【図４０Ａ】燃料をデバイスに通す機能を果たす多孔性アノードに有利なように開いている燃料流路が排除されている本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの他の実施形態によるアノード担持バージョンの略断面端面図である。
【図４０Ｂ】燃料をデバイスに通す機能を果たす多孔性アノードに有利なように開いている燃料流路が排除されている本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの他の実施形態によるアノード担持バージョンの略側断面図である。
【図４１Ａ】複数の空気流路がアノード担持構造内に備えられ、単一の燃料流路が複数の空気流路に対し法線方向に設けられている、本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスのアノード担持バージョンの他の実施形態の略断面端面図である。
【図４１Ｂ】複数の空気流路がアノード担持構造内に備えられ、単一の燃料流路が複数の空気流路に対し法線方向に設けられている、本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスのアノード担持バージョンの他の実施形態の略断面上面図である。
【図４２Ａ】一実施形態による、本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの流路内に電極層を形成する方法を示す略断面図である。
【図４２Ｂ】一実施形態による、本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの流路内に電極層を形成する方法を示す略断面図である。
【図４２Ｃ】一実施形態による、本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの流路内に電極層を形成する方法を示す略断面図である。
【図４３】電解質層を受け入れるために使用可能な表面積を増やすように電解質層に起伏を付けた、本発明の他の実施形態の略側断面図である。
【図４４】電解質層の表面に起伏を付ける本発明の代替え実施形態の略側断面図である。
【図４５Ａ】間にブリッジ結合部分を備える、デバイスの左側と右側のそれぞれに複数の燃料電池を有する本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの一実施形態の略上面図である。
【図４５Ｂ】間にブリッジ結合部分を備える、デバイスの左側と右側のそれぞれに複数の燃料電池を有する本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの一実施形態の高温帯を通る断面図である。
【図４６Ａ】デバイスの低温端部に移動する電子のため低い抵抗の大きなまたは幅の広い経路を備えるように大きな外側コンタクトパッドを有する本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの他の実施形態の略斜視図である。
【図４６Ｂ】デバイスの低温端部に移動する電子のため低い抵抗の大きなまたは幅の広い経路を備えるように大きな外側コンタクトパッドを有する本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの他の実施形態の略断面図である。
【図４７】使用済み燃料と空気の両方のために単一の排出路を有する本発明の他の実施形態によるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの略側断面図である。
【図４８Ａ】厚い部分と薄い巻かれた部分を有する「エンドロールＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス」と呼ばれる他の実施形態を示す、巻かれていない状態のデバイスの斜視図である。
【図４８Ｂ】厚い部分と薄い巻かれた部分を有する「エンドロールＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス」と呼ばれる他の実施形態を示す、巻かれている状態のデバイスの側断面図である。
【図４８Ｃ】厚い部分と薄い巻かれた部分を有する「エンドロールＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス」と呼ばれる他の実施形態を示す、巻かれている状態のデバイスの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を例示するものであり、上記の発明の概要と併せて、以下の詳細な説明により本発明を説明する。
【００２０】
一実施形態では、本発明は、燃料ポートおよび空気ポートが１つのモノリシック構造として製作されているＳＯＦＣデバイスおよびシステムを実現する。一実施形態では、ＳＯＦＣデバイスは、細長い構造、本質的には比較的平たい、または矩形のスティック状のものであり（そのため、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスと呼ばれる）、その長さは幅または厚さに比べてかなり大きい。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、中心が高温でも低温の端部を有することができる（低温端部は＜３００℃、高温の中心部は＞４００℃、たいがい＞７００℃）。セラミックの熱伝導が遅いため、高温中心部が低温の端部を完全に加熱することができないことがある。それに加えて、端部は、そこに到達する熱を片っ端から放射する。本発明は、接続用の低温端部を備えることにより、アノード、カソード、燃料入口およびＨ２Ｏ  ＣＯ２出口、空気入口および空気出口に比較的簡単に接続するようにすることが可能である。チューブ状燃料電池構造は、高温の中心部とともに低温端部を持つこともできるが、従来技術では、セラミックチューブのこのような利点を活かさず、その代わりに、チューブ全体を炉、または高温帯内に入れるので、高温の接続部が必要になった。従来技術では、燃料投入用に高温鑞付け接続部を形成する工程の複雑さとコストを認識しているが、本明細書に掲示されている解決方法については認識していない。本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、長く薄っぺらであるため、中心部を加熱しつつも端部を低温のままにするという上述の熱特性の利点を有する。これにより、温度に関して構造的堅牢性を持つとともに、燃料、空気、および電極を比較的容易に接続することができる。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、本質的にスタンドアロン型システムであり、電力を発生するために熱、燃料、および空気を加えるだけでよい。この構造は、以上のコンポーネントを容易に取り付けられるように設計される。
【００２１】
本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、多層構造であり、ほかにいくつかの利点がある多層同時焼成アプローチを使用して製造することができる。第１に、このデバイスは、モノリシックであり、構造的堅牢性を持たせるのに役立つ。第２に、このデバイスは、キャパシタチップのＭＬＣＣ（多層同時焼成セラミック）生産で使用されるような従来の大量製造技術に適している。（多層キャパシタ生産は、工業用セラミックスの最大規模の利用であり、この技術は、大量製造向きであることが実証されている。）第３に、薄層電解質は、コストまたは複雑さを増すことなく構造内に形成されうる。２μｍの厚さの電解質層は、ＭＬＣＣアプローチを使用することで可能であるが、６０μｍ未満の電解質壁厚さを持つＳＯＦＣチューブについて考えにくい。したがって、本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、ＳＯＦＣチューブに比べて３０倍ほど効率的であると考えられる。最後に、本発明の多層ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、それぞれ、数百、あるいは数千もの層を有することも可能であり、その場合最大の面積および最大の密度を得られる。
【００２２】
従来技術のＳＯＦＣチューブの表面積と本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスとを比較して考える。例えば、直径０．２５’’のチューブと０．２５’’×０．２５’’のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスを比較して考える。チューブ内では、円周は、３．１４×Ｄ、つまり０．７８５’’である。０．２５’’のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスでは、１つの層の使用可能な幅は、約０．２インチである。したがって、１つのチューブと同じ面積を得るには、約４つの層を必要とする。これらの数字は、キャパシタ技術のものと比べて劇的に異なる。日本の多層キャパシタの最新技術は、現在、２μｍの厚さの層６００枚である。日本ではまもなく１０００層パーツの生産に着手する可能性が高く、現在は、研究所で作っている。６００層を使用するこれらのチップキャパシタは、わずか０．０６０’’（１５００μｍ）しかない。この製造技術を本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスに応用することで、２μｍの電解質厚さを有する０．２５’’デバイスおよびそれぞれのカソード／アノードの厚さが１０μｍである空気／燃料流路において、５２９の層を持つ単一デバイスを製造することが可能である。これは、１３２本のチューブに相当する。従来技術の戦略では、さらに多くのチューブを加え、直径を大きくし、および／またはチューブ長を増やして、出力を高めるが、その結果、大電力を出力するために非常に大きな構造となる。その一方で、本発明は、より多くの層を単一のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスに加え、電力を高め、および／またはより薄い層もしくは流路をデバイス内で使用し、それにより、ＳＯＦＣ技術の小型化を図ることができる。さらに、本発明の利点は、キャパシタの場合と全く同様に、２乗効果である。電解質層が厚さを半分にされると、電力は２倍になり、次いで、さらに多くの層をデバイス内に収めることで、再び電力を２倍にできる。
【００２３】
本発明の他の重要な特徴は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの出力電圧を内部的に高めるために複数の層をリンクするのが容易である点である。層毎に１ボルトと仮定すると、バイアホールを使用して１２のグループをひとまとめにリンクする本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスにより１２ボルトの出力が得られる。その後、他の接続により、１２のグループを並列にリンクして、より高い電流を得ることができる。これは、キャパシタチップ技術で使用される既存の方法により実行されうる。重要な違いは、本発明は、他の技術では使用しなければならない鑞付けおよび複雑な配線の必要性がなくなっていることである。
【００２４】
本発明では、さらに、従来技術に比べて選択できる電極の種類の多様性が増している。貴金属は、アノードとカソードの両方について機能する。銀は、安価であるが、高温では、Ｐｄ、Ｐｔ、またはＡｕとのブレンドが必要になり、Ｐｄはこれら３つの金属のうち最低価格である。多くの研究が、非貴金属導体に集中した。燃料側については、ニッケルを使用する試みがなされたが、酸素に曝されると、金属は高温下で酸化する。導電性セラミックも知られており、本発明で使用することができる。つまり、本発明は、焼結されうるいかなる種類のアノード／カソード／電解質系をも使用できるということである。
【００２５】
本発明の一実施形態では、２μｍと広い面積のテープが支えられていない場合、空気／ガスが両側にあると、層は脆くなる可能性がある。間隙間にピラーを残すことが考えられる。これらは、鍾乳石と石筍が接触する洞窟の中の支柱のようなものに見える。これらは、均等な細かい間隔で配置することが可能であり、そうすると、構造に対する強度がかなり高まる。
【００２６】
ガスおよび空気供給源を取り付けるために、端部温度は３００℃未満、例えば、１５０℃未満とすることが考えられ、これにより、例えば、高温柔軟性のあるシリコーンチューブまたは天然ゴムチューブをＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスに取り付けるために使用することができる。これらの柔軟なチューブは、デバイスの端部上に簡単に引き伸ばすことができ、これによりシールを形成することができる。これらの材料は、標準のマクマスターカタログで入手可能である。シリコーンは、一般に、１５０℃またはそれ以上の温度でオーブンガスケットとしてその特性を失わずに使用される。マルチスティックのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）システムの多数のシリコーンまたは天然ゴムチューブをバーブ接続で供給源に接続することが可能である。
【００２７】
アノード材料またはカソード材料、または両方の電極材料が、金属または合金であるとしてよい。アノードおよびカソードに適した金属および合金は、当業者に知られている。それとは別に、一方または両方の電極材料を、導電性グリーンセラミックとしてよく、これも当業者に知られている。例えば、アノード材料は、イットリア安定化ジルコニアでコーティングされた部分焼結金属ニッケルとしてよく、またカソード材料は、ペロブスカイト構造を有する、改質ランタンマグネタイトとしてよい。
【００２８】
他の実施形態では、電極材料の一方または両方は、グリーンセラミックと複合材料を導電性にするのに十分な量だけ存在する導電性の高い金属との複合材料としてよい。一般に、セラミックマトリックスは、金属粒子同士が接触し始めると導電性を持つようになる。複合材料マトリックスを導電性にするのに十分な金属の量は、主に金属粒子形態に依存して変化する。例えば、金属の量は、一般的には、金属薄片の場合よりも球形粉末金属の場合に高くする必要がある。例示的な一実施形態では、この複合材料は、約４０〜９０％の導電性金属粒子が中に分散されているグリーンセラミックのマトリックスを含む。グリーンセラミックマトリックスは、電解質層に使用されるグリーンセラミック材料と同じであっても、異なっていてもよい。
【００２９】
一方または両方の電極材料がセラミック、つまり、導電性のグリーンセラミックまたは複合材料を含む実施形態では、電極材料中のグリーンセラミックおよび電解質用のグリーンセラミック材料は、架橋可能な有機結合剤を含むことができ、このため、積層時に、この圧力は、層内で有機結合剤を架橋するとともに層間のポリマー分子鎖を結合するのに十分なものである。
【００３０】
類似のコンポーネントを指し示すために類似の番号が全体を通して使用されている図面を参照する。図の中で使用されている参照番号は下記のとおりである。
【００３１】
図１および１Ａは、それぞれ、デバイスがモノリシックである場合の単一のアノード層２４、カソード層２６、および電解質層２８を有する、本発明の基本的なＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の一実施形態の側断面図および上断面図である。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、燃料入口１２、燃料出口１６、およびその間の燃料流路１４を備える。デバイス１０は、さらに、空気入口１８、空気出口２２、およびその間の空気流路２０を備える。燃料流路１４および空気流路２０は、対向する平行な関係にあり、燃料流路１４を通る燃料供給源３４からの燃料の流れは、空気流路２０を通る空気供給源３６からの空気の流れと反対の方向にある。電解質層２８は、燃料流路１４と空気流路２０との間に配置される。アノード層２４は、燃料流路１４と電解質層２８との間に配置される。同様に、カソード層２６は、空気流路２０と電解質層２８との間に配置される。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の残り部分は、セラミック２９を含み、これは電解質層２８と同じ材料であってもよいし、また異なる、適合性のあるセラミック材料であってもよい。電解質層２８は、破線で示されているように、アノード２４とカソード２６の対向する領域間に置かれたセラミックの部分として考えられる。酸素イオンが空気流路から燃料流路へ移動する際に通るのが電解質層２８である。図１に示されているように、空気供給源３６から出るＯ２は、空気流路２０を通って移動し、カソード層２６によりイオン化されて２Ｏを形成し、電解質層２８を通過し、アノード２４を通り、燃料流路１４に入り、そこで、燃料供給源３４から送られる燃料、例えば、炭化水素と反応して、ＣＯとＨ２を形成し、次いで、Ｈ２ＯとＣＯ２を形成する。図１は燃料として炭化水素を使用する反応を示しているが、本発明はそれに限定されない。本発明では、ＳＯＦＣで一般に使用されるタイプの燃料を使用することができる。燃料供給源３４は、例えば、任意の炭化水素源または水素源としてよい。メタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、およびブタン（Ｃ４Ｈ１０）は、炭化水素燃料の例である。
【００３２】
反応を生じさせるためには、熱をＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０に加えなければならない。本発明によれば、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、デバイスをデバイスの中心にある高温帯３２（または加熱帯）とデバイス１０のそれぞれの端部１１ａおよび１１ｂのところの低温帯３０とに分けられるくらいの長さを有する。高温帯３２と低温帯３０との間に、遷移帯３１が存在する。高温帯３２は、典型的には４００℃よりも高い温度で動作する。例示的な実施形態では、高温帯３２は、６００℃よりも高い、例えば、７００℃よりも高い温度で動作する。低温帯３０は、熱源に曝されず、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０が十分に長いことと、セラミック材料の熱特性の優れていることから、熱は高温帯の外部に放散し、低温帯３０の温度は３００℃未満である。高温帯からセラミックの長さにそって下り低温帯の端部に達する熱伝達は遅いが、高温帯の外部のセラミック材料から空気への熱伝達は比較的高速であると考えられる。そのため、高温帯で投入される熱の大半は、低温帯の端部に到達する前に空気中に（主に遷移帯で）失われる。本発明の例示的な実施形態では、低温帯３０の温度は１５０℃未満である。他の例示的な実施形態では、低温帯３０は室温である。遷移帯３１は、高温帯３２の動作温度と低温帯３０の温度の間の温度を有し、遷移帯３１内では、著しい量の熱放散が生じる。
【００３３】
主熱膨張率（ＣＴＥ）は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の長さにそっており、したがって本質的に一次元であるため、ひび割れを起こすことなく中心の高速加熱が可能になる。例示的な実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さの少なくとも５倍以上である。他の例示的な実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さの少なくとも１０倍以上である。さらに他の例示的な実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さの少なくとも１５倍以上である。それに加えて、例示的な実施形態では、この幅は、厚さよりも大きく、より広い面積をもたらす。例えば、幅は、厚さの少なくとも２倍とすることができる。例えば、厚さ０．２インチのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、０．５インチの幅を持つことができる。図面は、縮尺通りでなく、相対的な寸法の一般的な考え方を示しているのにすぎないことは理解されるであろう。
【００３４】
本発明によれば、アノードとカソードの電気的接続は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の低温帯３０においてなされる。例示的な実施形態では、アノード２４およびカソード２６は、電気的接続が可能なように低温帯３０内のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の外面にそれぞれ露出される。負の電圧ノード３８は、例えば電線４２を介して露出アノード部分２５に接続され、正の電圧ノード４０は、例えば電線４２を介して露出カソード部分２７に接続される。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、デバイスのそれぞれの端部１１ａ、１１ｂのところに低温帯３０を有しているため、従来技術を著しく勝る利点である、電気的接続を行うために高温鑞付け法を一般的には必要とする、低温の剛性のある電気的接続部を形成することができる。
【００３５】
図２は、供給チューブ５０が端部上に取り付けられタイラップ５２で固定されているＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第１の端部１１ａの斜視図である。次いで、燃料供給源３４から送られる燃料は、供給チューブ５０に通され、燃料入口１２に送り込まれる。第１の端部１１ａが低温帯３０に置かれる結果として、燃料供給源３４を燃料入口１２に接続するために柔軟なプラスチック製配管または他の低温タイプの接続材料を使用することができる。本発明により、高温鑞付けで燃料接続部を形成する必要性がなくなる。
【００３６】
図３Ａは、第１および第２の端部１１ａ、１１ｂを修正した、図１に示されているのと似たＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の斜視図である。端部１１ａ、１１ｂは、円筒状端部を形成するように機械加工され、これにより燃料供給源３４および空気供給源３６を簡単に接続できるようになっている。図３Ｂは、燃料供給源３４から燃料入口１２に燃料を供給するために第１の端部１１ａに接続された供給チューブ５０の斜視図である。例えば、供給チューブ５０は、第１の端部１１ａに対する弾性のおかげで確実なシールを形成するシリコーンまたは天然ゴムチューブとすることができる。柔軟性および弾性を有する供給チューブ５０は、振動に曝されるモバイルデバイスで使用される場合にＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスのショックアブソーバとなりうることは理解されるであろう。従来技術では、チューブまたはプレートは、堅く鑞付けされており、したがって、動的環境において使用される場合に亀裂破損を生じることがある。したがって、振動減衰器としての供給管５０の付加的機能は、従来技術に比べて独自の利点をもたらす。
【００３７】
図３Ａを再び参照すると、コンタクトパッド４４が、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の外面に備えられ、露出アノード部分２５および露出カソード部分２７と接触するようになっている。コンタクトパッド４４の材料は、電圧ノード３８、４０をそれぞれのアノード２４およびカソード２６に電気的に接続するように導電性を有していなければならない。コンタクトパッド４４を形成するのに適している方法を使用できることは理解されうる。例えば、金属パッドは、焼結ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の外面上にプリントできる。電線４２は、例えば、信頼性の高い接続を確立するためにハンダ接続部４６によりコンタクトパッド４４に固定される。ハンダは、低温材料であり、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の低温帯３０内に配置されることにより使用できる。例えば、ふつうの１０Ｓｎ８８Ｐｂ２Ａｇハンダを使用できる。本発明では、高温電圧接続の必要をなくし、これにより、低温接続材料または手段への可能性を拡大する。
【００３８】
また図３Ａには、燃料出口１６と空気出口２２の斜視図が示されている。燃料は、一方の低温帯３０内にある第１の端部１１ａのところの燃料入口１２に入り、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側部から出て、第２の端部１１ｂに隣接する出口１６を通る。空気は、低温帯３０内にある第２の端部１１ｂ内に配置されている空気入口１８に入り、第１の端部１１ａに隣接するＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側部内の空気出口２２から出る。出口１６および２２は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の同じ側にあるように示されているが、反対側、例えば、図４Ａの下に示されているように配置できることも理解されるであろう。
【００３９】
空気出口２２を燃料入口１２に近づける（同様に、燃料出口１６を空気入口１８に近づける）ことにより、また重なり合う層（アノード、カソード、電解質）の近接近を通じて、空気出口２２は、熱交換器として機能し、燃料入口１２を通ってデバイス１０に入る燃料を予熱するのに役立つ（同様に、燃料出口１６は、空気入口１８を通って入る空気を予熱する）。熱交換器は、システムの効率を改善する。遷移帯は、使用済みの空気と新鮮な燃料（および使用済みの燃料と新鮮な空気）の重なり合う領域を有し、このため、熱は、新鮮な燃料（新鮮な空気）が高温帯に到達する前に伝達される。したがって、本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、内蔵熱交換器を備えるモノリシック構造である。
【００４０】
図４Ａを参照すると、露出アノード部分２５に接続されたそれぞれのコンタクトパッド４４の位置を揃え、負の電圧ノード３８に接続された電線４２をコンタクトパッド４４のそれぞれにハンダ付け（４６で）することによる、複数のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０、この場合は２つのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの接続が斜視図で示されている。同様に、露出カソード部分２７に接続されているコンタクトパッド４４の位置が揃えられ、正の電圧ノード４０を接続する電線４２は、破線で部分的に示されているように、揃えられたコンタクトパッド４４のそれぞれにハンダ付けされる（４６のところで）。理解されるように、接続部は低温帯３０内にあり、比較的単純な接続となっているため、マルチＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）システムまたはアセンブリ内の１つのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０が交換を必要とする場合でも、その１つのデバイス１０とのハンダ接続を壊して、デバイスを新しいデバイス１０と交換し、電線４２を新しいＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のコンタクトパッドにハンダ付けし直すだけでよい。
【００４１】
図４Ｂは、それぞれのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０が複数のアノードおよびカソードを備える、複数のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の間の接続を示す端面図である。例えば、図４Ｂに示されている特定の実施形態は、対向するアノード２４およびカソード２６からなる３つのセットを備え、それぞれのアノード２４はＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の右側に露出され、それぞれのカソードはＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の左側に露出される。次いで、コンタクトパッドがＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のそれぞれの側に置かれ、それぞれの露出アノード部分２５および露出カソード部分２７と接触する。右側では、アノード２４が露出されており、負の電圧ノード３８が、ハンダ接続部４６を介して電線４２をコンタクトパッド４４に固定することにより露出アノード部分２５に接続される。同様に、正の電圧ノード４０が、ハンダ接続部４６を介して電線４２をコンタクトパッド４４に固定することによりＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の左側の露出カソード部分２７に電気的に接続される。したがって、図１〜４Ａは、単一のカソード２６に対向する単一のアノード２４を示していたが、図４Ｂに示されているように、それぞれのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、複数のアノード２４およびカソード２６を備えることができ、それぞれの電圧ノード３８または４０に接続するために外面に施されたコンタクトパッド４４を使って電気的に接続するためにそれぞれＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の外面に露出される。構造内の対向するアノードおよびカソードの数は、数十、数百、さらには数千であってもよい。
【００４２】
図５は、電線４２とコンタクトパッド４４との間に電気接続を形成するための機械的取付けを示す端面図である。この実施形態では、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、一組の電極がそれぞれのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の上面のところに露出されるように向き付けられる。コンタクトパッド４４は、低温帯３０内の一端（例えば、１１ａまたは１１ｂ）のところでそれぞれの上面に施されている。次いで、スプリングクリップ４８を使用して、電線４２を取り外し可能なようにコンタクトパッド４４に固定することができる。したがって、金属結合を使用して、図３Ａ、４Ａ、および４Ｂに示されているような電気的接続部を形成するか、または図５に示されているように機械的接続手段を使用することができる。本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス内の低温帯３０のおかげで、適切な取付手段を柔軟に選択できる。スプリングクリップまたは他の機械的取付手段を使用することで、マルチスティックアセンブリ内の単一のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０を交換する工程をさらに簡素化する。
【００４３】
図６Ａおよび６Ｂは、第２の端部１１ｂが高温帯３２内にあり、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第１の端部１１ａに単一の低温帯３０を有する代替え実施形態の斜視図である。図６Ａでは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、並列配置の３つの燃料電池を備えるが、図６ＢのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、単一燃料電池を備える。したがって、本発明の実施形態は、単一電池設計または複数電池設計を含むことができる。燃料と空気の両方の単一端部投入を可能にするために、空気入口１８は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側面の第１の端部１１ａに隣接するように向きを変えられる。ここでもまた、空気流路２０（図に示されていない）は、燃料流路１４と平行に走るが、この実施形態では、空気の流れは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の長さ方向に通る燃料の流れと同じ方向である。デバイス１０の第２の端部１１ｂでは、空気出口２２が燃料出口１６に隣接して配置される。燃料出口１６または空気出口２２のいずれか、またはその両方が、両方とも端面から出るのではなくＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側面から出ることが可能なのは理解されるであろう。
【００４４】
図６Ｂに示されているように、空気供給源３６の供給チューブ５０は、空気供給源３６の供給チューブ５０が燃料供給源３４の供給チューブ５０に垂直になるように、供給チューブ５０の側面を通る孔を形成し、デバイス１０をスライドさせて側孔に通すことにより形成される。ここでもまた、この実施形態ではシリコーンゴムチューブなどを使用できる。結合材料をチューブ５０とデバイス１０との間のジョイントの周りに施して、シールを形成することができる。さらに電気的接続部は、低温帯３０内の第１の端部１１ａに隣接して形成される。図６Ａおよび６Ｂは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の片側に形成される正の電圧接続部およびＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の対向側に形成される負の電圧接続部を示している。しかし、本発明はこのように制限されないことは理解されるであろう。単一端部投入ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの利点は、２つの遷移帯３１の代わりにただ１つの低温−高温遷移帯があり、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）を短くすることが可能である点である。
【００４５】
本発明の一利点は、活性層を非常に薄くすることができ、これによりＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）は複数の燃料電池を単一デバイス内に組み込むことができることである。活性層が薄ければ薄いほど、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の製造時に空気流路２０または燃料流路１４が陥没する可能性が大きくなり、このため流路を通る流れが阻害される。したがって、本発明の一実施形態では、図７Ａおよび７Ｂに示されているように、複数のセラミックピラー５４が流路１４および２０内に備えられ、電解質層の歪みと流路の閉塞が防止される。図７Ａは、側断面図であるが、図７Ｂは、空気流路２０を通る上断面図である。本発明の一方法によれば、テープキャスティング法を使用し、材料のレーザー除去法を用いるなどして犠牲テープ層を、犠牲層内に形成された複数の孔とともに使用できる。次いで、セラミック材料が、セラミックスラリーを犠牲テープ層の上に塗り広げて孔に浸透させることにより孔を埋めるために使用される。さまざまな層がまとめ上げられた後、溶媒を用いるなどして犠牲層の犠牲材料が除去され、セラミックピラー５４が後に残る。
【００４６】
セラミックピラー５４を形成する他の実施形態では、事前焼結セラミックの大きな粒子を、溶媒に解かしたプラスチックなどの有機バインダに加え、攪拌して完全不規則混合物を形成することができる。例えば、限定はしないが、大きな粒子は、直径０．００２インチのボールなどの球体としてよい。次いで、燃料流路１４および空気流路２０が配置されるべき領域内にプリントするなどの方法で完全不規則混合物がグリーン構造に施される。焼結（ベイク／焼成）工程では、有機バインダが構造から抜けて（例えば、燃え尽きて）、流路を形成し、セラミック粒子が残り、ピラー５４を形成し、流路を物理的に開いたまま保持する。その結果が得られる構造が、図７Ｃおよび７Ｄの顕微鏡写真に示されている。ピラー５４は、無作為に配置され、その平均距離は有機バインダ中のセラミック粒子の保持量によって代わる。
【００４７】
図８Ａは、並列の２つの燃料電池を備える本発明の一実施形態の断面図である。それぞれの活性電解質層２８は、空気流路２０およびカソード層２６ａまたは２６ｂを一方の側に備え、燃料流路１４およびアノード層２４ａまたは２４ｂを対向側に備える。一方の燃料電池の空気流路２０は、セラミック材料２９により第２の燃料電池の燃料流路１４から隔てられる。露出アノード部分２５は、負の電圧ノード３８に電線４２を介してそれぞれ接続され、露出カソード部分２７は、正の電圧ノード４０に電線４２を介してそれぞれ接続される。次いで、単一の空気供給源３６を使用して複数の空気流路２０のそれぞれに供給し、単一の燃料供給源３４を使用して複数の燃料流路１４のそれぞれに供給することができる。活性層のこの配列により確立される電気回路は、図の右側に示されている。
【００４８】
図８Ｂの断面図において、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、図８Ａに示されているものに類似しているが、複数の露出アノード部分２５および複数の露出カソード部分２７を備える代わりに、１つのアノード層２４ａだけを２５に露出させ、１つのカソード層２６ａだけを２７に露出させる。第１のバイア５６は、カソード層２６ａをカソード層２６ｂに接続し、第２のバイア５８は、アノード層２４ａをアノード層２４ｂに接続する。例えば、グリーン層の形成時にレーザー法を使用して、開いているバイアを作成し、次いでその後導電性材料を埋めてバイア接続を形成することができる。図８Ｂの右の回路により示されているように、図８ＢのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０内に図８ＡのＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０内と同じ電気経路が形成される。
【００４９】
図９Ａおよび９Ｂはやはり、アノードおよびカソードが共有される、多種燃料電池設計の断面図である。図９Ａの実施形態では、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、２つの燃料流路１４および２つの空気流路２０を備えるが、２つの燃料電池を有する代わりに、この構造は３つの燃料電池を備える。第１の燃料電池は、アノード層２４ａとカソード層２６ａとの間に中間電解質層２８とともに形成される。アノード層２４ａは、燃料流路１４の片側にあり、燃料流路１４の対向側に、第２のアノード層２４ｂがある。第２のアノード層２４ｂは、他の電解質層を間に置いた状態で第２のカソード層２６ｂと対向し、これにより、第２の燃料電池を形成する。第２のカソード層２６ｂは、空気流路２０の片側にあり、第３のカソード層２６ｃは、その空気流路２０の対向側にある。第３のカソード層２６ｃは、電解質層２８を間に置いた状態で第３のアノード層２４ｃと対向し、これにより、第３の燃料電池を形成する。アノード層２４ａからカソード層２６ｃまでのデバイス１０の部分をデバイス内で何回も繰り返し、これにより共有アノードおよびカソードを形成し、これにより単一のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）内の燃料電池の数を増やすことも可能である。それぞれのアノード層２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、例えば電線４２を介して負の電圧ノード３８に接続するためにＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の外面に電気的接続部を形成できる露出アノード部分２５を備える。同様に、それぞれのカソード層２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、例えば電線４２を介して正の電圧ノード４０に接続するための外面への露出カソード部分２７を備える。単一の空気供給源３６を一方の低温端部のところに備えて空気流路２０のそれぞれに供給し、単一の燃料供給源３４を対向側の低温端部のところに備えて燃料流路１４のそれぞれに供給することができる。この構造により形成される電気的回路は、図９Ａの右側に示されている。このＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、並列の３つの燃料電池層を備え、利用可能な電力出力が３倍になる。例えば、それぞれの層が１ボルト、１アンペアを発生する場合、それぞれの燃料電池層は、１ワットの電力出力を発生する（ボルト×アンペア＝ワット）。したがって、この３層レイアウトは、次いで、合計３ワットの電力出力に対し１ボルト、３アンペアを発生する。
【００５０】
図９Ｂでは、図９Ａの構造は、図９Ｂの右側の回路により示されているように、電圧ノードのそれぞれへの単一の電気的接続を形成して直列の３つの燃料電池を作成するように修正されている。正の電圧ノード４０は、露出カソード部分２７のところでカソード層２６ａに接続される。アノード層２４ａは、バイア５８によりカソード層２６ｂに接続される。アノード層２４ｂは、バイア５６によりカソード層２６ｃに接続される。次いで、アノード層２４ｃは露出アノード部分２５のところで負の電圧ノード３８に接続される。したがって、１つの層で同じ１アンペア／１ボルトという仮定を用いると、この３電池構造は、合計３ワットの電力出力に対し３ボルト、１アンペアを発生する。
【００５１】
本発明の他の実施形態は、図１０に側面図で示されている。この実施形態では、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、第１の端部１１ａのところに単一の低温帯３０を有し、第２の端部１１ｂが高温帯３２内にある。他の実施形態のように、燃料入口１２は、第１の端部１１ａにあり、供給チューブ５０により燃料供給源３４に接続されている。この実施形態では、燃料流路１４は、燃料出口１６が第２の端部１１ｂに置いてＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の長さを延長する。したがって、燃料供給接続部が、低温帯３０内に形成され、燃料反応剤（例えば、ＣＯ２およびＨ２Ｏ）の出口は、高温帯３２内にある。同様に、アノードは、電線４２を介して負の電圧ノード３８に接続するために低温帯３０内に露出アノード部分２５を有する。
【００５２】
図１０の実施形態では、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、少なくとも片側で開いており、潜在的には両方の対向側で開いており、高温帯３２内に空気入口１８と空気流路２０の両方を形成する。支持用セラミックピラー５４の使用は、空気流路２０内ではこの実施形態で特に有用と思われる。空気出口は、図に示されているように、第２の端部１１ｂにあるものとしてよい。それとは別に、図に示されてはいないけれども、空気出口は、流路２０が幅部分を貫通し、空気供給が投入側にのみ向けられているか、または流路２０が幅部分を貫通しない場合に、空気入口側から対向側にあるものとしてよい。熱だけを高温帯３２に伝える代わりに、この実施形態では、空気も供給される。言い換えると、空気を強制空気チューブに通す代わりに高温帯３２内のデバイス１０の両側を開放して加熱された空気が通るようにされる。
【００５３】
図１０Ａは、図１０に示されている実施形態の変更形態の側面図である。図１０Ａでは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、遷移帯３１により低温帯３０から隔てられている中心加熱帯３２を持つ対向する低温帯３０を備える。空気入口１８は、加熱された空気を受け入れるように、中心加熱帯３２内、少なくともその一部に備えられている。しかし、この実施形態では、空気流路は、図１０のように適切な長さについてＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側部に対し完全には開かれていない。むしろ、図１０Ｂにより明確に示されているように、空気流路２０は、高温帯３２の一部において開いており、次いで、長さ方向の残り部分について両側に近く、次いで、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第２の端部１１ｂのところの空気出口２２から出る。この実施形態では、加熱された空気を、強制空気供給チューブではなく高温帯３２内に送ることができるが、燃料と空気が低温帯３０内のデバイス１０の一方の端部１１ｂのところから出るようにすることも可能である。
【００５４】
特定の実施形態が図に示され、詳細に説明されているが、本発明の範囲はそのように制限されるべきではない。本発明のより一般的な実施形態は、以下で説明されており、図１１〜２４に示されている略図を参照するとより完全に理解されうる。図１１は、図１２〜２４に概略的に示されているコンポーネントの記号表となっている。燃料（Ｆ）または空気（Ａ）が、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス内に入る矢印により示される場合、これは、投入アクセスポイントに接続されたチューブなどを通る強制流を示す。空気投入が示されていない場合、これは、強制流接続以外の手段により加熱された空気高温帯が供給されること、またＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）が、高温帯内のアクセスポイントのところで空気流路に対し開かれていることを示す。
【００５５】
本発明の一実施形態は、少なくとも１つの燃料流路および関連するアノード、少なくとも１つの酸化剤経路および関連するカソード、ならびにそれらの間の電解質を含むＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスであるが、ただし、電池は、１本の主軸にそってＣＴＥを有し、約４００℃を超える温度を有する加熱帯内におけるその電池の部分で動作するように幅または厚さに比べて実質的に長い。この実施形態では、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、空気と燃料の両方の投入に対するアクセスポイントを主ＣＴＥ方向に従ってデバイスの１つの端部にまとめているか、または主ＣＴＥ方向に従って空気投入を一方の端部に、燃料投入を他方の端部にまとめ、空気および燃料の投入は加熱帯の外側に配置されている。例えば、図２０および２４を参照。
【００５６】
本発明の他の実施形態では、燃料電池は、第１の温度帯と第２の温度帯を有し、第１の温度帯は高温帯であり、燃料電池反応を実行するのに十分な温度で動作し、第２の温度帯は加熱帯の外にあり、第１の温度帯よりも低い温度で動作する。第２の温度帯の温度は、低温接続を電極に対し行うことができ、また少なくとも燃料供給のために低温接続を行える十分な低さである。燃料電池構造は、部分的に第１の温度帯内に延び、部分的に第２の温度帯内に延びる。例えば、図１２、１３、および１７を参照。
【００５７】
本発明の一実施形態では、燃料電池は、加熱帯である第１の温度帯および３００℃未満の温度で動作する第２の温度帯を備える。空気および燃料接続部は、低温接続部としてゴム管などを使用して第２の温度帯内に形成される。低温ハンダ接続部またはスプリングクリップは、それぞれの負および正の電圧ノードに接続するためにアノードおよびカソードへの電気的接続部を形成するために使用される。さらに、二酸化炭素および水用の燃料出口と減損酸素の空気出口は、第１の温度帯、つまり、加熱帯に配置される。例えば、図１７を参照。
【００５８】
本発明の他の実施形態では、燃料電池構造は、加熱帯である中心の第１の温度帯を備え、燃料電池のそれぞれの端部は、３００℃未満で動作する第２の温度帯における第１の温度帯の外部に配置される。燃料および空気投入部は、アノードおよびカソードに電気的に接続するためのハンダ接続部またはスプリングクリップのように、第２の温度帯内に配置される。最後に、二酸化炭素、水、および減損酸素の排出部は、第２の温度帯内に配置される。例えば、図１９、２０、および２４を参照。
【００５９】
本発明の他の実施形態では、燃料投入部は、第１の温度帯が対向する第２の温度帯の間の中心に用意された加熱帯である、３００℃未満で動作する第２の温度帯内の主ＣＴＥ方向に応じてそれぞれの端部に備えることができる。二酸化炭素、水、および減損酸素の排出部は、中心の加熱帯内に配置されうる。例えば、図１５および１８を参照。それとは別に、二酸化炭素、水、および減損酸素の排出部は、第２の温度帯、つまり、加熱帯の外部に配置されうる。例えば、図１６および１９を参照。
【００６０】
他の実施形態では、燃料投入アクセスポイントと空気投入アクセスポイントは両方とも、加熱帯である、第１の温度帯の外に配置され、３００℃未満で動作する第２の温度帯内にあり、これにより空気および燃料供給のためゴム管などの低温接続部を使用できる。それに加えて、ハンダ接続部分またはスプリングクリップは、電圧ノードをアノードおよびカソードに接続するため第２の温度帯内で使用される。一実施形態では、燃料および空気投入部は両方とも主ＣＴＥ方向に従って一方の端部にあり、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）の他方の端部は、第１の加熱された温度帯内にあり、二酸化炭素、水、および減損酸素の排出部は加熱帯にある。例えば、図１７を参照。したがって、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）は、１つの加熱端と１つの非加熱端を有する。
【００６１】
他の実施形態では、燃料および空気は、加熱帯の外部で主ＣＴＥ方向に従って一方の端部内に投入され、これも加熱帯の外の対向端部から出るが、そのため加熱帯は、２つの対向する第２の温度帯の間にある。例えば、図２０を参照。さらに他の代替え実施形態では、燃料および空気は、第２の温度帯内に配置されている対向端部の両方の中に投入され、燃料および空気の排出部は、中心の加熱帯に置かれる。例えば、図１８を参照。
【００６２】
さらに他の代替え実施形態では、燃料および空気は、第２の温度帯内に配置されている対向端部の両方の中に投入され、それぞれの排出部は、投入部と反対の側の端部のところで第２の温度帯に置かれる。例えば、図１９を参照。そのため、燃料電池は、中心の加熱帯と加熱帯の外部の対向端部を有し、燃料および空気は両方とも第１の端部内に投入され、それぞれの反応排出物は第２の端部に隣接するところから排出され、燃料と空気は両方とも、第２の端部内に投入され、反応排出物は第１の端部に隣接するところから排出される。
【００６３】
さらに他の実施形態では、燃料投入部は、加熱帯の外の一方の端部にあり、空気投入部は、加熱帯の外の対向端部にあるとしてよい。例えば、図２１〜２４を参照。この実施形態では、空気と燃料の両方からの反応排出部は、加熱帯内にあるか（図２１を参照）、または両方とも、それぞれの投入部と反対の端部に隣接する加熱帯の外部にあってよい（図２４を参照）。それとは別に、二酸化炭素および水の排出部は、高温帯内にあってよく、減損酸素の排出部は、高温帯の外にあり（図２２を参照）、またはその逆に、減損酸素の排出部は、加熱帯内にあってよく、二酸化炭素および水の排出部は、加熱帯の外にある（図２３を参照）。図２２および２３に示されている燃料および空気排出部に関する変更形態も、例えば、図１８〜２０に示されている実施形態に応用することが可能である。
【００６４】
図２５Ａおよび２７Ａには平面図が、図２７Ｂには側面図が示されている、本発明の他の実施形態では、パンハンドル設計と呼ばれるものを有するＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１００が実現される。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１００は、１つの主軸においてＣＴＥを有する、従来の実施形態において説明されているＳｔｉｃｋ（登録商標）デバイスと寸法に関して類似している細長いセクション１０２を有する、つまり、幅または厚さに比べて実質的に長い。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１００は、さらに、長さに近い大きさの幅を有する広い表面積を持つセクション１０４を有する。セクション１０４には正方形の表面領域または矩形の表面領域があってもよいが、幅は実質的には長さよりも短く、セクション１０４ではＣＴＥは単一の主軸を持たず、むしろ長さ方向および幅方向にＣＴＥ軸を持つ。広い表面積のセクション１０４は、高温帯３２内に配置されるが、細長いセクション１０２は、少なくとも部分的には低温帯３０および遷移帯３１内に配置される。例示的な一実施形態では、細長いセクション１０２の一部は、高温帯３２内に入り込むが、これは本質的なことではない。例えば、燃料および空気供給源は、図６Ｂに示されている方法で細長いセクション１０２に接続され、さらには電気的接続部に接続されうる。
【００６５】
図２５Ｂおよび２６Ａには平面図が示され、図２６Ｂには図２５Ａ、２７Ａ、および２７Ｂに示されているものに似た、ただしさらに、２つの細長いセクション１０２と１０６との間の広い表面積のセクション１０４の位置決めをするために細長いセクション１０２と反対側の第２の細長いセクション１０６を有する代替え実施形態の側面図が示されている。細長いセクション１０６は、さらに、少なくとも部分的に低温帯３０および遷移帯３１内に配置される。この実施形態では、燃料は、細長いセクション１０２内に投入され、空気は、細長いセクション１０６内に投入されうる。次いで、例えば、空気供給源および燃料供給源は、図２または図３Ｂに示されている方法で、それぞれ、細長いセクション１０６および１０２に接続できる。図２５Ｂに示されているように、空気排出部は、燃料等入部に隣接する細長いセクション１０２内に配置され、燃料排出部は、空気投入部に隣接する細長いセクション１０６内に配置されうる。それとは別に、空気排出部および燃料排出部の一方または両方を、それぞれ図２６Ａおよび２６Ｂに上面図および側面図として示されているように、高温帯３２内の広い表面積のセクション１０４内に配置できる。図２５Ａおよび２５Ｂの実施形態では、電解質が間にある対向するアノードおよびカソードの表面積は、反応面積を増大するために高温帯内で拡大され、これにより、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１００により発生される電力を増大することができる。
【００６６】
本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０、１００の他の利点は、重量が小さいという点である。典型的な内燃機関の重量は、出力ｋＷ当たり１８〜３０ｌｂ程度である。本発明のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０、１００は、出力ｋＷ当たり０．５ｌｂ程度の重量となるように製作できる。
【００６７】
図２８Ａ〜Ｄは、らせん状の、または巻かれたチューブ型構成を有する、本発明のチューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス２００の代替え実施形態を示している。図２８Ａは、巻かれていない位置にある、デバイス２００の略上面図である。デバイス２００の巻かれていない構造は、巻かれた、またはらせん状のチューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス２００の長さに対応する等しい長さＬの第１の端部２０２および第２の端部２０４を有する。燃料入口１２および空気入口１８は、第１の端部２０２に隣接する対向する側部に示されている。次いで、図２８Ｂのデバイス２００の巻かれていない構造の略端面図および図２８Ｃのデバイス２００の巻かれていない構造の略側面図にさらに示されているように、燃料流路１４および空気流路２０は、燃料出口１６および空気出口２２が第２の端部２０４のところに位置するようにデバイス２００の巻かれていない構造の幅にそって第２の端部２０４へ延びる。燃料流路１４および空気流路２０は、燃料および空気の流れを最大にするためにデバイス２００の巻かれていない構造のほぼ長さＬだけ延ばしているように示されているが、本発明はこれに限定されるわけではない。次いで、らせん状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス２００を形成するために、第１の端部２０２を第２の端部２０４の方へ巻いて、図２８Ｄの略斜視図に示されているデバイス２００のらせん状チューブ構造を形成する。次いで、空気供給源３６は、空気入口１８への投入のためらせん状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス２００の一方の端部に配置できるが、燃料供給源３４は、燃料入口１２に燃料を投入するためにらせん状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス２００の対向する端部に配置できる。次いで、空気および燃料は、燃料出口１６および空気出口２２を通ってデバイス２００の長さＬにそってらせん状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス２００から出る。電圧ノード３８、４０は、らせん状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス２００の対向端に形成された、または対向端に隣接して形成されたコンタクトパッド４４にハンダ付けすることができる。
【００６８】
図２９Ａ〜２９Ｇは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスがチューブ型同心円状形態である本発明の代替え実施形態を示している。図２９Ａは、同心円状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス３００の略等角投影図である。図２９Ｂ〜２９Ｅは、図２９Ａの同心円状デバイス３００の断面図を示している。図２９Ｆは、デバイス３００の空気投入端部の端面図を示し、図２９Ｇは、デバイス３００の燃料投入端部の端面図を示している。図に示されている特定の実施形態は、３つの空気流路２０を備え、１つはチューブ型構造の中心にあり、他の２つは間隔をあけて、同心円状に配置されている。同心円状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス３００は、さらに、空気流路２０の間に同心円状になっている２つの燃料流路１４を有する。図２９Ａ〜２９Ｄに示されているように、同心円状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス３００は、一方の端部に燃料流路１４を接続する燃料出口１６およびそれぞれの入口に対向する他方の端部に空気流路２０を接続する空気出口２２を備える。それぞれの空気流路２０は、カソード２６を敷かれており、それぞれの燃料流路１４は、アノード２４を敷かれており、電解質２８が対向するアノードとカソードとを隔てている。図２９Ａ〜２９Ｂおよび２９Ｆ〜２９Ｇに示されているように、同心円状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス３００の対向端部のところで露出アノード２５および露出カソード２７への電気的接続を形成できる。露出アノード２５および露出カソード２７を接続するためにコンタクトパッド４４が端部に施されうるが、図には示されていないけれども、コンタクトパッド４４をデバイス３００の外側にそって配置し、端部にではなくデバイス３００の長さ方向にそったある点に電気的接続を形成することができる。同心円状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス３００は、構造的に支えるために空気および燃料流路１４、２０内に位置するピラー５４を備えることができる。
【００６９】
空気投入部および燃料排出部が一方の端部に、燃料投入部および空気排出部が対向端にある、対向端１１ａ、１１ｂのところに２つの低温帯３０を有する本発明の実施形態では、使用済み燃料または空気は、中心高温帯３２から出るときには加熱状態にある。加熱された空気および燃料は、遷移帯３１を通り低温帯３０に移動するときに冷える。電極および／またはセラミック／電解質の薄層は、空気流路を平行に並ぶ燃料流路から隔て、またその逆も言える。一方の通路では、加熱された空気は、高温帯から出て、隣接する平行な流路内で、燃料が高温帯に入り、またその逆も言える。加熱された空気は、熱交換原理を通して、隣接する平行流路の入ってくる燃料を加熱し、またその逆も言える。したがって、熱交換を通じた空気および燃料の予熱がある程度ある。しかし、上述のように、高温帯の外部の急激な熱損失のため、熱交換は、空気および燃料を高温帯の活性領域内に入る前に最適な反応温度まで予熱するのに十分でない場合がある。それに加えて、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０が、１つの低温端部と１つの高温端部を備える実施形態では、燃料および空気が同じ低温端部内に投入され、同じ対向する高温端部から出るので、熱交換が生じる燃料および空気のクロスフローはない。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの電極およびセラミック材料からは、入ってくる燃料および空気への限られた熱交換しか利用できない。
【００７０】
図３０Ａ〜３３Ｃは、アノード２４およびカソード２６が対向する関係にある活性帯３３ｂに入る前に燃料および空気を予熱するための予熱帯３３ａを組み込んだＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のさまざまな実施形態を示している。これらの実施形態は、対向する低温端部に中間の高温帯ならびに燃料および空気投入部を有する２つの低温端部があるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスと単一の低温端部に燃料および空気投入部の両方を有する１つの高温端部と１つの低温端部があるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスとを備える。これらの実施形態では、使用される電極材料の量は、活性化帯３３ｂに限定することができ、ごくわずかの量で、電圧ノード３８、４０との外部接続用の低温帯が得られる。後からさらに詳しく説明される、これらの実施形態の他の利点は、電子が外部電圧接続部まで移動する可能な最短の経路を有し、低抵抗をもたらすという点である。
【００７１】
図３０Ａは、集積された予熱帯３３ａとともに１つの低温帯３０と１つの対向する高温帯３２を有するＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第１の実施形態の略側断面図である。図３０Ｂは、燃料流路１４に向かって見上げる形のアノード２４を通る断面図であり、図３０Ｃは、空気流路２０に向かって見下ろす形のカソード２６を通る断面図である。図３０Ａおよび３０Ｂに示されているように、燃料供給源３４からの燃料が、燃料入口１２に入り、デバイス１０の長さにそって進み、燃料流路１４を通り、燃料出口１６を通してデバイス１０の対向端部から出る。低温帯３０は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第１の端部１１ａにあり、高温帯３２は、対向する第２の端部１１ｂにある。高温帯と低温帯との間に、遷移帯３１がある。高温帯３２は、燃料が最初に通過する初期予熱帯３３ａ、および燃料流路１４に隣接するアノード２４を備える活性帯３３ｂを備える。図３０Ｂに示されているように、アノード２４の断面積は、活性帯３３ｂでは大きい。アノード２４は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の一方のエッジまで延びており、外側コンタクトパッド４４は、負の電圧ノード３８への接続のためデバイス１０の外側にそって低温帯３０まで延びている。
【００７２】
同様に、図３０Ａおよび３０Ｃに示されているように、空気供給源３６からの空気は、低温帯に位置する空気入口１８に入り、空気は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の長さにそって進み、空気流路２０を通り、空気出口２２を通して高温帯３２から出る。空気および燃料が同じ端部に入り、同じ方向でＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の長さにそって移動しているため、高温帯３２の前の熱交換により空気および燃料の予熱が制限される。カソード２６は、アノード２４と対向する関係を有するように活性帯３３ｂに配置され、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の反対側に延び、そこで、露出され、正の電圧ノード４０に接続するために活性高温帯３３ｂから低温帯３０に延びる外部コンタクトパッド４４に接続される。しかし、露出カソード２７は、露出アノード２５としてデバイス１０の対向側に置かれる必要はない。露出アノード２５および露出カソード２７は、デバイスの同じ側に置くことも可能であり、またコンタクトパッド４４は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側を下るストライプとして形成されうる。この構造により、空気および燃料は、最初に予熱帯３３ａ内で加熱され、反応はいっさい起きず、アノードおよびカソード材料の大半は、加熱された空気および燃料が入り対向するアノードおよびカソード層２４、２６により反応する活性帯３３ｂに限定されている。
【００７３】
図３１Ａ〜３１Ｃに示されている実施形態は、図３０Ａ〜３０Ｃに示されているのと似ているが、１つの高温帯と１つの低温帯を有するのではなく、図３１Ａ〜Ｃの実施形態は、中心高温帯３２とともに対向する低温帯３０を備える。燃料供給源３４からの燃料は、デバイス１０の第１の端部１１を通り、低温帯３０内にある燃料入口１２に入り、対向する第２の端部１１ｂから対向する低温帯３０内に位置する燃料出口１６を通り出てくる。同様に、空気供給源３６からの空気は、空気入口１８から入り対向する低温帯３０を通り、空気出口２２を通り第１の低温帯３０から出る。燃料は、高温帯３２に入り、予熱帯３３ａ内で予熱され、その一方で、空気は、高温帯３２の反対側に入り、他の予熱帯３３ａ内で予熱される。したがって、燃料と空気のクロスフローがある。アノード２４は、高温帯３２の活性帯３３ｂ内のカソード２６に対向し、反応は、予熱された燃料および空気を伴う活性帯３３ｂ内で生じる。ここでもまた、電極材料の大半は、活性帯３３ｂに制限される。アノードは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の一方のエッジに露出され、カソードは、デバイス１０の他方の側に露出される。外部コンタクトパッド４４は、高温帯３２内の露出アノード２５に接触し、負の電圧ノード３８に接続するために第１の低温端部１１ａに向かって延びる。同様に、外部コンタクトパッド４４は、高温帯３２内の露出カソード２７に接触し、正の電圧ノード４０に接続するために第２の低温帯１１ｂに向かって延びる。
【００７４】
予熱帯３３ａは、活性領域に到達する前にガスを最適な反応温度に完全に加熱するという利点を備える。燃料が、最適な温度よりも低い場合、ＳＯＦＣシステムの効率は低下する。空気および燃料が引き続きその経路上にあると、暖機する。暖機すると、電解質の効率が、その領域において上昇する。燃料、空気、および電解質が炉の完全な温度に達すると、電解質は、最適な効率の下で作用する。貴金属から作られうるアノードおよびカソードに対するコストを削減するために、最適な温度よりもかなり低い温度の領域では、金属の使用をなくすことができる。長さまたは他の次元に関する予熱帯の量は、炉からＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスへ、またＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスから燃料および空気への熱伝達量とともに、燃料および空気のクロスフローにより熱交換が発生しているかどうかにより異なる。次元は、さらに、燃料および空気の流量に依存し、燃料または空気がＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの長さ方向に素早く下る場合には、予熱帯は長いほど都合がよいが、流量が小さい場合には、予熱帯は短くされてよい。
【００７５】
図３２Ａおよび３２Ｂは、図３１Ａ〜３１Ｃに示されているものに似た一実施形態を示しているが、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、より狭い燃料通路１４を通り活性帯３３ｂ内に入る前に予熱帯３３ａ内で大量の燃料を予熱するための燃料入口１２と高温帯３２内に入り込む燃料流路１４との間の予熱室１３を備える。同様に、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、より狭い空気通路２０を通り活性帯３３ｂ内に入る前に予熱帯３３ａ内で大量の空気を予熱するための空気入口１８と高温帯３２内に入り込む空気流路２０との間の予熱室１９を備える。上の実施形態で開示されているように、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、複数の燃料流路１４および空気流路２０を備えることができ、それぞれの流路はそれぞれの予熱室１３、１９からの流れを受け入れる。
【００７６】
予熱チャネルの代わりの大容量の予熱室に関して、例に過ぎないが、空気の分子が最適な温度まで加熱するのに５秒を要する場合、次いで空気の分子がＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０を毎秒１インチの速度で下っている場合、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、空気が活性帯３３ｂ内に入る前に長さ５インチの予熱チャネルを必要とすると想像できる。しかし、大容量室がチャネルの代わりに備えられる場合、この容量は、分子がより狭いチャネルに入り活性帯に向かう前にキャビティ内でさらに時間を費やすのを許容するので、空気分子は、この室の中で加熱され、次いで、チャネルの短さを利用して、加熱された空気分子を活性帯に送ることができる。このようなキャビティまたは予熱室は、グリーン（つまり、焼結前）アセンブリを取り、このアセンブリの端部に孔をあけて室を形成するか、または形成時にグリーンスタック内に大量の有機材料を組み込み、焼結時にＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスから有機材料をベイクアウトすることを含むさまざまな方法で作成することが可能である。
【００７７】
図３３Ａ〜３３Ｃは、空気および燃料が活性帯３３ｂに到達する前に空気および燃料を予熱するさらに他の実施形態を示している。図３３Ａは、本質的にＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の長手軸方向中心を通る、略側断面図である。図３３Ｂは、燃料流路１４およびアノード２４が交差する線３３Ｂ−３３Ｂにそった上断面であるが、図３３Ｃは、空気流路２０がカソード２６と交差する線３３Ｃ−３３Ｃにそった下断面図である。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、２つの対向する低温帯３０および１つの中心高温帯３２を有し、遷移帯３１がそれぞれの低温帯３０と高温帯３２との間にある。燃料供給源３４からの燃料は、燃料入口１２を通してＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第１の端部１１ａに入り、高温帯３２の対向端部に向かって延びる燃料流路１４を通過するが、そこで、Ｕターンして、第１の端部１１ａの低温帯３０に戻り、使用済み燃料が燃料出口１６を通って出てくる。同様に、空気供給源３６からの空気は、空気入口１８を通してＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第２の端部１１ｂに入り、高温帯３２の対向端部に向かって延びる空気流路２０を通過するが、そこで、Ｕターンして、第２の端部１１ｂに戻り、空気は空気出口２２を通り低温帯３０から出る。これらのＵターンが形成されている流路を使って、曲がり（Ｕターン）を通り高温帯３２内に最初に入る場所からの燃料流路１４および空気流路２０の部分は、燃料および空気を加熱するための予熱帯となる。流路１４、２０内の曲がり、またはＵターンの後で、領域が高温帯３２内の活性帯３３ｂを構成する、間にある電解質２８と対向する関係にある流路がそれぞれのアノード２４またはカソード２６を敷かれる。したがって、燃料および空気は、活性帯３３ｂに入る前に予熱帯３３ａ内で加熱され、これによりＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の効率を高め、電極材料の使用料を最小限度に抑える。アノード２４は、負の電圧ノード３８に接続するため低温帯３０内のデバイス１０の外部に延ばされる。同様に、カソード２６は、正の電圧ノード４０に電気的に接続するためデバイス１０の外部に延ばされる。燃料および空気出口１６および２２は、さらに、低温帯３０から出ることができる。
【００７８】
図に示され、上で説明されている実施形態の多くでは、アノード２４およびカソード２６が、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の複数の層内で、本質的にはそれぞれの層の中心領域内で、つまりデバイスの内部で、デバイスの端部に到達するまで移動する。その時点で、アノード２４およびカソード２６は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の外側にタブとして付けられ、そこで露出アノード２５および露出カソード２７は、銀ペーストを塗布するなどしてコンタクトパッドと金属で被覆され、次いで電線がコンタクトパッドにハンダ付けされる。例えば、図４Ａ〜４Ｂを参照。しかし、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０内の層を増やして、例えば、図８Ａ〜９Ｂに示されているように、より高い電圧の組み合わせにすることが望ましい場合がある。１ＫＷの電力を出力するＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスを製作するのが望ましい場合、電力は、電圧と電流に分けられる。１つの標準では、１２ボルトを使用するが、その場合、合計１ｋＷの電力を出力するのに８３アンペアの電流が必要になる。図８Ｂおよび９Ｂでは、バイアを使用して、電極層を相互接続して、並列または直列の組み合わせを形成した。
【００７９】
電極層を相互接続するための代替え実施形態は、図３４Ａから３７に示されている。これらの代替え実施形態では、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の内部の電極層を相互接続するのではなく、例えば銀ペーストの外部ストライプ（狭いコンタクトパッド）をＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側部にそって使用し、特に複数の小さなストライプを使用する。ストライピング技術を使用することで、必要な電流／電圧比に達するように直列および／または並列の組み合わせを構成することができる単純な構造を形成する。さらに、外部ストライプは、内部バイアと比較して緩い機械的許容差を有しており、製造が簡素化される。さらに、外部ストライプは、バイアに比べて低い抵抗（または等価直列抵抗）を有する可能性が高い。導体経路の抵抗が低いと、その経路にそった電力損失が少なく、したがって、外部ストライプは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０から電力を少ない電力損失で取り出す能力を持つ。
【００８０】
次に図３４Ａおよび３４Ｂを特に参照すると、外部アノード／カソードの直列相互接続が示されている。図３４Ａは、交互に並ぶアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃとカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃの略斜め正面図である。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の長さ方向にそって、アノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、露出アノード２５および露出カソード２７を形成する、デバイス１０のエッジに出ているタブを備える。次いで、図３４Ｂの略側面図に最もよく示されているように、外部コンタクトパッド４４（またはストライプ）が、露出アノード２５およびカソード２７上のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの外側に備えられる。対向するアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃの３つのペアを直列に接続することにより、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は３ボルトおよび１アンペアを供給する。図３５では、この構造は二重化され、２つの構造が長いストライプによりデバイス１０の側部を下る形で接続され、これにより、外部アノード／カソード相互接続を直列並列設計とし、３ボルトおよび２アンペアを発生する。
【００８１】
図３６Ａおよび３６Ｂは、電力損失を低くする低い等価直列抵抗経路の一実施形態を示している。この実施形態では、高温帯３２は、第１の端部１１ａおよび第２の端部１１ｂが低温帯３０内にあるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の中心にある。燃料は、第１の端部１１ａ内の燃料入口１２を通して投入され、空気は、第２の端部１１ｂ内の空気入口１８を通して投入される。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の活性領域である、高温帯３２内では、アノード２４およびカソード２６は、デバイスの側部に露出されるが、ただしアノード２４は一方の側に露出され、カソード２６は対向側に露出される。コンタクトパッド４４（またはストライプ）が、露出アノード２５およびカソード２７上に施される。次いで、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のエッジは、金属被覆部が低温帯３０に到達するようにデバイス１０の側部の長さにそって金属で被覆され、負の電圧ノード３８および正の電圧ノード４０に対する低温ハンダ接続部４６が形成される。アノード２４およびカソード２６は、他の機能も持つので低抵抗についてだけ最適化するということはできない。例えば、電極は、空気または燃料が電解質を通過できるように多孔質でなければならず、多孔性は抵抗を高める。さらに、電極は、多層ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の良好な層密度が得られるように薄くなければならず、電極が薄いほど、抵抗は高くなる。厚いコンタクトパッド４４をＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスのエッジ（側部）に加えることにより、ハンダ接続部４６に向けて低抵抗経路を形成することが可能である。コンタクトパッド４４が厚いほど、抵抗は低くなる。電子が、例えばＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０内の電極を下り、電極層内のすべての空隙を超えて、１０インチ進まなければならない場合、最低の抵抗を持つ経路は、例えばデバイス１０の側部エッジまで０．５インチ進み、次いで非多孔質コンタクトパッド４４を下って１０インチ進む経路である。そのため、低温帯３０まで延びるＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの外部にそった長いコンタクトパッド４４は、低抵抗導体経路を形成することにより、より低い損失のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスから電力を取り出すことを可能にする。したがって、ストライピング技術は、直列並列接続を行って出力を高めるためにＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の活性領域（高温帯３２）内で使用することができ、デバイスの側部から低温端部へ下る長いストライプで、その電力をＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０から効率よく取り出すことができる。
【００８２】
図３７は、図３６Ｂに示されているのと似た実施形態の略等角投影図であるが、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第１の端部１１ａに単一の低温帯３０を有し、高温帯３２はデバイス１０の第２の端部１１ｂのところにある。直列および／または並列接続を行えるように複数の垂直ストライプまたはコンタクトパッド４４が高温帯３２内に形成され、高温帯３２から低温帯３０に至るデバイス１０の側部を下る水平方向の長いストライプ４４が形成され、これにより正の電圧ノード４０および負の電圧ノード３８への低温ハンダ接続部４６が形成される。
【００８３】
燃料流路１４および空気流路２０を形成する一方法では、有機材料を次いで後の焼結ステップでベイクアウトすることができるグリーン重層構造内に置く。１ｋＷまたは１０ｋＷ出力など電力出力が大きい個々のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）を製作するために、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）は長く広いものでなければならず、また層数も多くなければならない。例えば、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスは、長さ１２インチから１８インチ程度とすることができる。グリーン構造をベイクして、セラミックを焼結し、有機材料を除去すると、燃料流路１４を形成するために使用される有機材料は、それぞれ燃料入口および燃料出口を形成する開口部１２および１６を通って出なければならない。同様に、空気流路２０を形成するために使用される有機材料は、それぞれ空気入口および空気出口を形成する開口部１８および２２を通してベイクアウトしなければならない。デバイスの長さと広さが大きければ大きいほど、有機材料がこれらの開口部を通って出てくるのが困難である。デバイスの加熱が、ベイクアウト時に速すぎる場合、有機材料の分解が構造から出る材料の速度よりも速く進むので、さまざまな層が剥離する可能性がある。
【００８４】
図３８Ａおよび３８Ｂは、有機材料７２のベイクアウト用の複数の出口間隙を形成する代替え実施形態の略側断面図である。図３８Ａに示されているように、複数の開口部７０が、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の一方の側に設けられ、有機材料７２が構造から出るための複数のベイクアウト経路を形成する。図３８Ｂに示されているように、ベイクアウトの後、バリアコーティング６０をＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側部に塗布することにより複数の開口部７０が閉じられる。例えば、バリアコーティングは、ガラスコーティングとすることができる。他の実施例では、バリアコーティングは、セラミック充填剤を含むガラスとしてよい。さらに他の実施形態では、バリアコーティング６０は、例えば、ペーストを塗られたコンタクトパッド４４とすることができ、これは、発生した電力に対する低抵抗経路としても用いられる。銀ペーストも、接着力を高めるためにガラスを含むことができる。例示的な一実施形態では、カソードのベイクアウト経路は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の一方の側に抜け、アノードのベイクアウト経路は、対向する電極間のショートを回避するためデバイス１０の対向する側に抜ける。
【００８５】
ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０、１００、２００、３００の代替え実施形態では、それぞれカソード２６またはアノード２４を敷かれている開放空気流路２０および燃料１４を備えるのではなく、カソードおよび空気流路を組み合わせ、空気または燃料の流れを可能にする多孔質電極材料を使用することによりアノードおよび燃料流路を組み合わせることができる。カソードおよびアノードは、とにかく反応を起こせるように多孔質でなければならず、したがって強制された空気および燃料の投入と組み合わせることで、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスに十分な流れを通し、発電反応を引き起こすことも可能である。
【００８６】
本発明の他の実施形態は、図３９の略断面端面図に示されている。この実施形態は、本質的にＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のアノード担持バージョンである。他の実施形態と同様に、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、中間の高温帯とともに高温端部および低温端部または２つの低温端部を持つことができる。セラミック２９で担持されるデバイス１０を備えるのではなく、アノード担持バージョンではアノード材料を担持構造として使用する。アノード構造内では、燃料流路１４および空気流路２０は、対向する関係を持つように備えられる。空気流路２０は、電解質層２８を敷かれ、次いで、カソード層２６を敷かれる。化学気相成長法を使用して、内層を蒸着するか、または粘性のあるペーストの溶液を使用して蒸着することが可能である。
【００８７】
図４０Ａおよび４０Ｂには、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のアノード担持バージョンの他の実施形態が示されている。この実施形態では、独立の開放燃料流路１４は、排除され、したがって、多孔質アノード２４は燃料流路１４としても使用される。それに加えて、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、ガラスコーティングまたはセラミックコーティングなどのバリアコーティング６０でコーティングされ、燃料がデバイス１０の側部から出るのを防ぐ。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、必要な数だけ空気流路をアノード構造内の関連する電解質およびカソードとともに備えることができる。図４０Ｂに示されているように、燃料供給源３４からの燃料は、燃料流路１４として使用される多孔質アノード２４を通して強制的に第１の端部１１ａに送り込まれ、電解質層２８とカソード２６を通過し、空気供給源３６からの空気と反応し、次いで使用済み空気および燃料は、空気入口２２から排出されうる。
【００８８】
図４１Ａの略断面端面図および図４１Ｂの略断面上面図に示されている他の実施形態では、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０は、アノード担持構造内に設けられた複数の空気流路２０および燃料を燃料供給源３４から単一の燃料入口１２を通して複数の空気流路２０に送り込むための複数の空気通路２０に対し法線方向にある単一の燃料流路１４を備える。ここでもまた、空気流路２０は、電解質層２８を最初に敷かれ、次いで、カソード２６を敷かれる。燃料は、単一の燃料流路１４からアノード構造２４を通り、電解質２８を通り、そしてカソード２６を通って、空気流路２０内の空気と反応し、使用済み燃料および空気が空気出口２２から出る。使用済み燃料は、さらに、バリアコーティング６０を含まないＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の側部から滲出することもあり、また未コーティング側は、単一燃料流路１４の向きと反対の、デバイスの側部に配置される。
【００８９】
アノード担持構造に関係する実施形態では、この構造は、カソード担持構造となるように本質的に逆にされうるものと理解できる。次いで、電解質層およびアノード層でコーティングされた燃料チャネルがカソード構造内に設けられる。さらに別の１つの空気流路または複数の空気流路を備えるか、またはカソードの多孔性を空気流に対し利用することもできる。
【００９０】
図４２Ａ〜４２Ｃは、空気および燃料流路内に電極を形成する方法を示している。例として燃料流路１４およびアノード２４を取りあげると、本発明の実施形態では、グリーンセラミックの層および金属テープ層を使用して、つまり金属被覆部をプリントしてグリーン構造を層毎に形成するのではなく、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０を最初に電極なしで作る。言い換えると、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）の電解質およびセラミック担持部分を形成するためにグリーンセラミック材料が使用され、燃料流路１４などの流路を形成するために有機材料が使用される。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスが焼結された後、燃料流路１４は、アノードペーストまたは溶液で充填される。ペーストは、印刷インクのように粘りけがあるか、または高含水溶液のようにさらさらと粘性の低いものとしてよい。アノード材料は、真空を利用して吸い込むなどの所望の手段、毛管力、または空気圧を利用した強制的吸引により燃料流路１４内に充填することができる。
【００９１】
それとは別に、図４２Ａ〜４２Ｃに示されているように、アノード材料は、溶液中に溶解され、燃料流路１４内に流れ込み、次いで沈殿する。例えば、ｐＨの変化を通して、アノード粒子を沈殿させ、溶液を引き出すことができる。他の代替え実施形態では、アノード粒子を単純に沈降させ、次いで燃料流路１４から液体を乾燥またはベイクアウトすることができる。この沈降は、例えば低粘度のせいで長期間にわたり粒子を懸濁させたままにしないインクまたは液体担体を作成することにより引き起こせる。沈降を強制するために遠心分離機も使用可能である。遠心分離機を使用すると、簡単に大半の粒子を燃料流路１４の１つの表面上に優先的に沈降させることができ、これにより、電極材料を節約し、燃料流路１４の１つの表面のみが電解質として作用するようにできる。
【００９２】
図４２Ａに示されているように、アノード粒子含有溶液６６は、図４２Ｂに示されているように流路１４が完全に充填されるまで、燃料流路１４内に注ぎ込まれる。次いで、粒子は、流路１４の底部に沈降し、図４２Ｃに示されているように、アノード層２４を形成する。溶液６６のフラッディングは、通常の毛管力に比べて、重力、真空、または遠心分離機により加速されうる。もちろん、アノード２４および燃料流路１４が一実施例として使用されていたが、これらの代替え実施形態はどれも、空気流路２０内にカソード層２６を形成するためにカソードペーストまたは溶液とともに使用できる。
【００９３】
他の代替え実施形態では、セラミック電極材料（アノードまたはカソード）を液体ゾルゲル状態で流路（燃料または空気）内に注入し、次いで、流路の内側に析出させることも可能である。また、液体中の所望の電極材料の濃度が低い場合などに、または電極中に特性の勾配をもたらす（電解質から遠い電極内のＹＳＺの量に対して電解質に近い電極内のＹＳＺの異なる量の比を与えるなど）ために、または異質な材料の複数の層をまとめたい場合（電解質の近くにＬＳＭで作られたカソード、次いで導電性を高めるためにＬＳＭの上に銀を載せるなど）に、充填操作を複数回繰り返すことも可能である。
【００９４】
空気および燃料流路２０、１４に構造的支持材を付けるためにセラミック球体またはボールが使用された、図７Ｃおよび７Ｄを再び参照すると、セラミック粒子は、さらに、実効表面積を増やして反応領域を広げ、それにより出力を高めるために使用されうる。電極層を施す前に、非常に細かいサイズのセラミックボールまたは粒子を燃料流路１４と空気流路２０の内側に使用することができる。図４３に略側断面図として示されているように、電解質層を受け入れるために使用可能な表面積を増やす不規則な起伏を電解質層２８にもたらすように流路１４内を表面粒子６２で覆う。次いで、アノード２４が不規則な起伏の表面上に施され、アノード材料が表面粒子６２の至るところをコーティングし、これにより反応面積が広がる。
【００９５】
図４４の略側断面図に示されている代替え実施形態では、電解質層２８は、グリーン電解質層をＶ字型パターンを有するファイングレーディングに押し付けることなどにより不規則な起伏またはテクスチャ表面層６４を形成するようにラミネートすることができ、このパターンは、次に電解質層２８に移される。電解質層２８が焼結され、セラミックおよびテクスチャ表面層６４を凝固させた後、アノード層２４は、次いで、図４２Ａ〜４２において上述されている埋め戻し工程を使用することなどにより施され、そして広い反応領域を持つアノードを形成することができる。
【００９６】
本発明のさらに他の実施形態は、図４５Ａおよび４５Ｂに示されている。図４５Ａは、空気および燃料流路を通る空気および燃料の流れならびに電極の配列を示す略上面図であり、図４５Ｂは、高温帯３２を通る断面図である。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の長さにそって、デバイスは左側８０と右側８２に分けられ、中間またはブリッジ結合部分８４がそれらの間にある。複数の空気流路２０Ｌは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第１の端部１１ａから長さ方向にそって左側８０を通り、第２の端部１１ｂに隣接する左側８０から外に出、複数の空気流路２０Ｒは、第１の端部１１ａから長さ方向にそって右側８２を通り、第２の端部１１ｂに隣接する右側のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０から出る。空気流路２０Ｌは、図４５Ｂに最もよく示されているように、空気流路２０Ｒからオフセットされる。複数の燃料流路１４Ｌは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の第２の端部１１ｂから長さ方向にそって左側８０を通り、第１の端部１１ａに隣接する左側８０で出て、複数の燃料流路１４Ｒは、第２の端部１１ｂから長さ方向にそって右側８２を通り、第１の端部１１ａに隣接する右側８２から出る。燃料流路１４Ｌは、燃料流路１４Ｒからオフセットされる。それに加えて、１つの燃料流路と１つの空気流路とを除き、それぞれの燃料流路１４Ｌは、空気流路２０Ｒと対になり、空気流路２０Ｒからわずかにオフセットされ、それぞれの空気流路２０Ｌは、燃料流路１４Ｒと対になり、燃料流路１４Ｒからわずかにオフセットされる。燃料流路１４Ｌと空気流路２０Ｒのそれぞれのオフセット対について、金属被覆部はそれぞれの燃料流路１４Ｌにそって左側８０から右側８２まで延び、そこでわずかにオフセットされた空気流路２０Ｒにそって延びる。同様に、燃料流路１４Ｒと空気流路２０Ｌのそれぞれのオフセット対について、金属被覆部はそれぞれの空気流路２０Ｌにそって左側８０から右側８２まで延び、そこでわずかにオフセットされた燃料流路１４Ｒにそって延びる。金属被覆部、金属被覆部が燃料流路１４Ｌまたは１４Ｒにそって延びるときにアノード２４Ｌまたは２４Ｒとして働き、金属被覆部は、金属被覆部が空気流路２０Ｌまたは２０Ｒにそって延びるときにカソード２６Ｌまたは２６Ｒとして働く。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のブリッジ結合部分８４では、金属被覆部が空気または燃料流路にそって延びず、金属被覆部は単にアノードとカソードとの間のブリッジ９０として働くだけである。本発明の一実施形態では、金属被覆部は、その長さにそって同じ材料を含むことができ、そのためアノード２４Ｌまたは２４Ｒ、ブリッジ９０、およびカソード２６Ｌまたは２６Ｒはそれぞれ同じ材料を含む。例えば、金属被覆部は、それぞれ、アノードまたはカソードとして十分に機能する白金族を含むことができる。それとは別に、金属被覆部は、異なる材料を含んでいてもよい。例えば、カソード２６Ｒまたは２６Ｌは、ランタンストロンチウムマグネタイト（ＬＳＭ）を含むことができるが、アノード２４Ｒまたは２４Ｌは、ニッケル、ＮｉＯ、またはＮｉＯ＋ＹＳＺを含む。ブリッジ９０は、パラジウム、��金、ＬＳＭ、ニッケル、ＮｉＯ、またはＮｉＯ＋ＹＳＺを含むことができる。本発明では、カソードまたはアノードとして使用するのに適した材料の組み合わせまたはタイプ、あるいはその間のブリッジ結合材料を考察しており、本発明は、上記の特定の材料に限定されない。
【００９７】
ここでは右側８２に示されているＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の片側では、燃料チャネル１４Ｒは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の右エッジまで延びて外部露出アノード２５を形成する関連するアノード２４Ｒを備える。この燃料流路１４Ｒに結合されたオフセットされた空気流路２０Ｌはなく、またアノード２４Ｒは、左側８０Ｒ内に入る必要はない。図４５Ａに示されているように、外側コンタクトパッド４４が露出アノード２５の上に施され、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイスの長さ方向にそって延び低温帯３０内に入る。次いで、負の電圧ノード３８は、電線４２およびハンダ接続部４６によりコンタクトパッド４４に接続されうる。アノード２４Ｒは、図に示されているように、高温帯３２全体を通して右エッジまで延びるか、または小さなタブ部分内にだけ延び、使用される電極材料の量を減らすことが可能である。また、アノード２４Ｒは、燃料流路１４Ｒの長さ方向にそってＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の右エッジまで延びることがあるが、このような実施形態だと、必要のない電極材料を使用することになる。
【００９８】
同様に、左側８０として示されている、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の他方の側では、単一の空気流路２０Ｌは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の左エッジまで延びて露出カソード２７を形成する関連カソード２６Ｌを備える。この空気流路２０Ｌは、オフセット燃料流路１４Ｒに結合されておらず、カソード２６Ｌは右側８２にまで延びている必要はない。コンタクトパッド４４は、露出カソード２７から低温端部３０までＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の左側８０の外側にそって施すことができ、そこでは、電線４２およびハンダ接続部４６を介して正の電圧ノード４０をコンパクトパッド４４に接続できる。
【００９９】
図４５Ｂでは、単一の燃料流路１４Ｒおよび関連するアノード２４Ｒは、右側８２の上に示されており、その一方、単一の空気流路２０Ｌおよび関連するカソード２６Ｌは、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の左側８０の底部に示されている。しかし、本発明は、そのような配置に限定されない。例えば、空気流路２０Ｌおよび関連するカソード２６Ｌは、単一の燃料流路１４Ｒおよび関連するアノード２４Ｒに類似のオフセットされる形で、左側８０上のデバイス１０の上にも備えることが可能であるが、金属被覆部は、左側８０からブリッジ結合部分８４を通り右側８２に引き回されることはない。むしろ、ブリッジ９０がなく、これによりアノード２４Ｒはカソード２６Ｌから電気的に分離される。ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０が、電池が直列接続されている、単一のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０内に２つの固有の空気経路スタックと２つの固有の燃料経路スタックを備えることができる追加の配列が考えられる。図４５Ａおよび４５Ｂに示されている実施形態は、電流を増大せず、低い抵抗を維持しながら、電圧を上げるという利点を有する。さらに、この実施形態は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０内に高密度を実現する。
【０１００】
図４６Ａおよび４６Ｂでは、代替え実施形態が略斜視図および略断面図としてそれぞれ示されている。以前の実施形態（例えば、図３７）は、高温帯３２から（複数の）低温帯３０までＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の外側部またはエッジにそって外部ストライプを備え、電子が低温端部に移動する低抵抗の経路を形成していた。図４６Ａおよび４６Ｂの実施形態では、デバイス１０の側部またはエッジを下るストライプの代わりに、コンタクトパッド４４が、アノード２４への外部接続のために片側ならびに上面および底面のうちの一方の面にそって施され、他のコンタクトパッド４４が、カソード２６への外部接続のために対向する側部ならびに上面および底面のうちの他方の面にそって施される。したがって、電子は、移動するための大きな、または広い経路を有し、これによりなおいっそう低い抵抗となる。２つの隣接する表面に施されるこれらの大きな導体パッド４４は、本明細書で開示されている実施形態のどれかで使用することが可能である。
【０１０１】
図４７では、熱交換原理を利用するＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のさらに他の実施形態が、略側断面図として示されている。加熱された空気および燃料が高温帯３２の活性帯３３ｂ（つまり、電解質が間にありアノード２４がカソード２６と対向する関係にある高温帯３２の部分）を通過した後、燃料流路１４および空気流路２０は、単一の排出路２１に結合される。未反応燃料は、加熱された空気と組み合わされると燃焼し、熱を追加発生する。排出路２１は、活性帯３３ｂに隣接する低温帯３０に向かって戻り、排出物（使用済み燃料と空気）の流れの方向は隣接する燃料流路１４および空気流路２０内の入ってくる燃料および空気の流れの方向と反対である。排出路２１内で発生する追加の熱は、隣接する流路１４、２０に伝達され、入ってくる燃料および空気を加熱する。
【０１０２】
図４８Ａ〜４８Ｃは、図４８Ａに示されているように薄い部分４０４よりも厚みのある厚い部分４０２を有する「エンドロールＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス」４００を示している。燃料および空気入口１２、１８は、厚い部分４０２の端にある第１の端部１１ａに隣接する位置にあり、図に示されていないが、空気および燃料出口（１６，２２）は、薄い部分４０４の端にある対向する第２の端部１１ｂに隣接するデバイス４００の側部に備えることができる。厚い部分４０２は、機械的強度を確保できる十分な厚さを有していなければならない。これは、隣接する燃料入口１２および空気入口１８の周りに厚いセラミック２９を施すことにより達成されうる。薄い部分４０４は、電解質（図に示されていない）が間にある（従来の実施形態のように）、カソード（図に示されていない）と対向する関係にあるアノード（図に示されていない）を備える活性帯３３ｂ（図に示されていない）を備える。薄い部分４０４は、図４８Ｂに示されているように、グリーン（未焼成）状態にある間に巻くことができるくらいの薄さでなければならない。薄い部分４０４が所望の厚さになるように巻かれた後、デバイス４００は焼成される。次いで、他の実施形態で説明されているように厚い部分４０２が低温端部である間に、巻かれた薄い部分４０４を加熱して反応を引き起こすことができる。エンドロールＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス４００は、薄い部分４０４を巻くことにより小さな空間内に収めることができる大表面積デバイスである。さらに、薄い部分４０４内の活性帯（３３ｂ）の薄い断面により、セラミックにそった熱伝達率が下がり、温度サイクル性能を向上させることができる。
【０１０３】
アノード２４およびカソード２６が活性（反応）帯３２および／または３３ｂ内のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０のエッジ（側部）に露出されている実施形態では、デバイス１０の上部または底部のセラミック２９は、活性帯３２および／または３３ｂの領域内に陥凹させることができる。これにより、電気的接続を形成するために上部および／または底部からカソード２６およびアノード２４の両方にアクセスできる。次いで、コンタクトパッド４４（例えば、金属被覆部ストライプ）は、活性帯３２および／または３３ｂから（複数の）低温帯までＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の上面および／または底面にそって施され、高温室／炉の外側への接続部を形成することができる。例えば、アノードは、陥凹セラミックカバーの形態でＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の上部に露出させることができ、またカソードは、陥凹セラミックカバーの形態でスティックの底部に露出させることができ、これによりスティック上の金属被覆部ストライプを大きくし、ストライプ内の抵抗損失を低くすることができる。
【０１０４】
ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０が対向端１１ａ、１１ｂに２つの低温帯３０、および真ん中に高温帯３２を備える他の実施形態では、例えば図３６Ｂに示されているように、（複数の）アノード２４および／または（複数の）カソード２６に対する（複数の）コンタクトパッド４４（例えば、金属被覆部ストライプ）は、高温帯３２から出てＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の両端１１ａ、１１ｂに向かって引き回すことができる。次いで、（複数の）アノード２４および（複数の）カソード２６のそれぞれとの２つの別々の電気的接続部が形成されうる。例えば、限定はしないが、一組の接続部を使用して、電池からの電圧出力を監視することができ、他方の組の接続部が、負荷を接続し、電流を流すことができる。電池それ自体において電圧を別々に測定できるという点が、電池から出力される全電力を得るよいアイデアを思い付くうえで利点となっている。
【０１０５】
コンタクトパッド４４（例えば、金属被覆部ストライプ）に対しては、当業者に知られている好適な導電体材料を使用できる。例えば、銀、ＬＳＭ、およびＮｉＯを含む。材料を組み合わせて使用することもできる。一実施形態では、非貴金属材料を高温帯３２内のＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の表面にそって使用することができる。例えば、ＬＳＭは、高温帯室／炉の雰囲気が酸化である場合に使用されうる。例は、ＮｉＯは、高温帯室／炉の雰囲気が還元である場合に使用されうる。しかし、いずれの場合も、非貴金属材料は、材料が高温帯室／炉の外に出ると導電性を失うため、金属被覆部材料は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０が高温帯室／炉を出る直前に貴金属または耐食材料に転移されなければならない。銀ペーストは、都合のよい貴金属材料である。さらに説明すると、ＬＳＭなどのいくつかの材料は、温度が反応温度から室温まで下がると非導電性になり、ニッケルなどの他の材料は、スティックの低温端部で空気に露出されると非導電性になる。そのため、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０の低温端部領域内のコンタクトパッドの金属被覆部材料は、空気中（つまり、保護雰囲気がない）および低温において導電性を有していなければならない。銀などの貴金属は、温度／雰囲気転移領域にわたって作用し、したがって、金属被覆部材料は、ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス１０が高温帯室／炉から出る前に貴金属に転移されうる。材料を組み合わせて使用することにより、低温帯に対する高温帯の導電率の特定の必要な大きさに基づき材料選択を行うことができ、また使用される高価な貴金属の量を減らすことによりコスト削減を果たせる。
【０１０６】
本発明は、１つまたは複数の実施形態の説明により例示されており、それらの実施形態は、かなり詳しく説明されているが、これらは、付属の請求項の範囲をそのような詳細に制約するか、または何らかの形で制限することを意図されていな。追加の利点および修正点は、当業者に容易にわかるであろう。したがって、本発明は、より広範な態様において、特定の詳細、代表的な装置および方法、ならびに図に示され説明されている例示的な実施例に限定されない。したがって、本発明の一般的概念の範囲から逸脱しない限りそのような詳細から逸脱してかまわない。
【符号の説明】
【０１０７】
１０  ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス
１１ａ  第１の端部
１１ｂ  第２の端部
１２  燃料入口
１３  燃料予熱室
１４  燃料流路
１４Ｌ  複数の燃料流路
１４Ｒ  複数の燃料流路
１６  燃料出口
１８  空気入口
１９  空気予熱室
２０  空気流路
２０Ｌ  複数の空気流路
２０Ｒ  複数の空気流路
２１  排出路
２２  空気出口
２４  アノード層
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ  アノード
２４Ｒ  アノード
２５  露出アノード部分
２６  カソード層
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ  カソード
２６Ｌ  カソード
２７  露出カソード部分
２８  電解質層
２９  セラミック
３０  低温帯、低温端部
３１  遷移帯
３２  高温帯
３３ａ  予熱帯
３３ｂ  活性帯
３４  燃料供給源
３６  空気供給源
３８  負の電圧ノード
４０  正の電圧ノード
４２  電線
４４  コンタクトパッド
４６  ハンダ接続部
４８  スプリングクリップ
５０  供給チューブ
５２  タイラップ
５４  セラミックピラー
５６  第１のバイア
５８  第２のバイア
６０  バリアコーティング
６２  表面粒子
６４  テクスチャ表面層
６６  アノード懸濁液
７０  開口部
７２  有機材料
８０  左側
８２  右側
８４  ブリッジ結合部分
９０  ブリッジ
１００  ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス
１０２  細長いセクション
１０４  広い表面積のセクション
１０６  細長いセクション
２００  らせん状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス
２０２  第１の端部
２０４  第２の端部
３００  同心円状チューブ型ＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス
４００  エンドロールＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ（登録商標）デバイス
４０２  厚い部分
４０４  薄い部分
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図２９Ｅ】
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【図２９Ｆ】
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【図２９Ｇ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３３Ｃ】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４２Ｃ】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５Ａ】
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【図４５Ｂ】
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【図４６Ａ】
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【図４６Ｂ】
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【図４７】
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【図４８Ａ】
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【図４８Ｂ】
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【図４８Ｃ】
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【図７Ｄ】
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